（电力电子与电力传动专业论文）高频谐振门极驱动电路的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a th i g h e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y ，a n de i t h e rl o wv o l t a g eo rh i g hc u r r e n ta p p l i c a t i o n s ， t h eg a t ed r i v el o s so ft h ep o w e rm o s f e tb e c o m e sq u i t es i g n i f i c a n t i no r d e rt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a lg a t ed r i v e r , r e s o n a n tg a t ed r i v e rc i r c u i t s h a v eb e e np r o p o s e d 。t h eb a s i ci d e ai st ou t i l i z et h el cr e s o n a n c et or e c o v e r yt h e e n e r g ys t o r e di nt h em o s f e tg a t ec a p a c i t a n c ee f f e c t i v e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， c o n v e n t i o n a lg a t ed r i v e ra n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fr e s o n a n t g a t e d r i v e ri s d i s c u s s e df i r g l y ，a n dt h e n , s e v e r a lr e a o n a n t g a t ed i r v e r sf o ro n e - s w i t c ha n d t w o s w i t c ha l ed i s c u s s e d t h i sp a p e rw i l ld i s c u s sn e w p r o p o s e dg a t e d r i v e r s an e w s i n u s o i d a lr e s o n a n tg a t e d r i v ec i r c u i tb a s e do nc l a s sea m p l i f i e ri s p r o p o s e d t h em a j o rb e n e f i to ft h e s i n u s o i d a ld r i v e ri st h a ti to n l yn e e d so n ed i r v es w i t c h an e wd u a lc h a n n e lp u l s e r e s o n a n tg a t ed r i v e ri sp r o p o s e d b ya d j u s t i n gt h ep h a s es h i f ta n g l eb e t w e e nt h e d r i v i n gs w i t c h e s ，a ni n i t i a l i z e dc u r r e n tc a nb eg e n e r a t e dt op r o v i d ef a s tg a t ed r i v e s p e e d 。b a s e d0 1 1t o p o l o g i e so p t i m i z a t i o n ，t w on e wr e s o n a n tg a t ed r i v e r sf o r s y n c h r o n o u sb u c kc o n v e r t e ra l ep r o p o s e d t h ef o r m e rd r i v e rh a ss i m p l es t r u c t u r e a n dc a l lb ed r i v e dn e a t l y t h el a t t e ro n ei sal o wv o l t a g ed r i v e r ；i tm a k e su e so ft h e c o u p l e di n d u c t o rt ot u r no nt h eh i l g hs i d es w i t c hw i t h o u tl e v e ls h i f t e rc i r c u i t t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v i d e dt ov e r i f y t h e p r o p o s e dd r i v ec i r c u i t s k e y w o r d s ：p o w e rm o s f e t ，h i g hf r e q u e n c y ，r e s o n a n tg a t ed r i v e r s ，d r i v el o s s e s 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 本章主要包括三部分内容：首先简单介绍了电压调节模块的发展方向，由 此提出了对于高效的门极驱动电路的要求。第二部分分析了传统的硬开关式门 极驱动电路，由于它的门极驱动损耗高以及其它缺点，许多学者就提出了谐振 门极驱动方案。本章简单介绍了谐振门极驱动的工作原理与设计方法，然后在 此基础上，对本文的研究意义和内容进行了介绍。 第一节概述 随着信息技术的快速发展和广泛应用，为了满足日益增长的、更加复杂的实 时计算要求，今天的通信系统采用了大量的高速数字集成芯片，包括高速c p u 、 f p g a 和存储器。这些高速大规模集成电路芯片要求其供电系统的供电电压和供 电功率不断增加，因此，供电电流相应增加，目前，c p u 已要求供电电流超过1 0 0 a 而供电电压却小于1 v 。此外由于主板上的空间是非常宝贵的，要求供电电源体 积越小越好。因而新一代微处理器的供电电源一低电压、大电流输出d c d c 变流 器模块，又称电压调节模块( v r m ，v o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ) 必需向着低电压、 大电流、小体积、高频化、高功率密度、高可靠性、高效率、快速动态响应的方 向发展【1 翻。 由于效率的限制，v r m 的开关频率并不能简单的增加。因为当开关频率增 加时，v r m 的功率损耗增大，变流器的总体效率会下降。图1 1 表示不同开关频 率时v r m 的效率。现在，大多数商用v r m 开关频率是3 0 0 k h z ，从图中可以看到， 此时v r m 在很大的负载范围内效率可以达到8 0 。当开关频率上升到1 m h z 时， 效率下降到7 5 ，频率越高，效率下降越厉害，当开关频率为1 0 m h z 时，效率仅 为4 0 。这是无法满足c t 能源之星”或“绿色能源”要求的1 3 。所以，为了改善v r m 的效率，需要分析高频时电路的主要损耗。v r m 功率损耗包括很多方面，例如 m o s f e t 的门极驱动损耗，开关损耗，磁芯损耗，线路的导通损耗等。其中高频 时m o s f e t 的门极驱动损耗与开关频率成正比，它已经成为影响电路效率的重要 因素，所以本文主要分析驱动电路和驱动损耗。 浙江大学硕士学位论文第一章 l o i 们 糌 较” o o | 眈 n l 图l - 1v r i v l 的效率和开关频率 门极驱动损耗与开关频率成正比，当开关频率增加时，门极驱动损耗也会增 加。例如一个1 2 v 输入，3 0 w 输出的两相同步b u c k 电路，开关频率为5 0 0 k h z ，选 择m o s f e ti r f 6 6 2 3 和i r f 6 6 1 8 分别作为控制开关和同步开关，当门极电压为1 2 v 时，门极驱动损耗是1 5 w ，驱动损耗占输出功率的5 ( 1 5 w 3 0 w ) ，如果开关 频率上升到1 m h z ，门极驱动损耗会上升到3 w ，对电路效率产生更大影响。另一 方面，为了改善m o s f e t 的导通电阻，它的管芯尺寸也随着增大，但管芯尺寸增 加，总栅极电荷和门极电容也会相应增加。虽然随着硅片技术的进步，新m o s f e t 可能与老器件具有相同的管芯尺寸，却具有较少的总栅极电荷。然而，采用相同 硅片技术的m o s f e t 仍然适用于这个基本准则，所以，为了减小低压大电流应用 中m o s f e t 的导通损耗，门极驱动损耗却变的更大。管芯尺寸经常表示为h e x 尺 寸，表1 1 给出了不同m o s f e t 的h e x 尺寸下典型管芯尺寸和总栅极电容值 4 1 。 表1 1m o s f e t 管芯尺寸的h e x 标示和典型电容 m o s f e t 尺寸 管芯尺寸( m m )m o s f e t 的总电容( p f ) h e x00 8 9 1 0 94 0 0 h e xl1 7 5 2 4 l7 5 0 h e x23 4 0 2 2 1 1 5 0 0 h e x34 4 4 2 7 93 0 0 0 h e x47 0 4 4 3 26 0 0 0 h e x5 6 4 5 6 4 51 2 0 0 0 h e x62 8 3 3 4 8m i l1 5 0 0 0 h e x72 8 3 3 4 8m i l1 6 0 0 0 并联模块可变最高4 8 0 0 0 热设计也是一个需要考虑的问题。由于导通损耗和开关损耗已经使功率 m o s f e t 工作温度变高，一旦开关频率增加，开关损耗和门极驱动损耗都会增 2 浙江大学硕士学位论文第一章 加，而且门极驱动损耗又会使驱动芯片或者功率m o s f e t 本身非常热。 所以，除非能够消除或减小m o s f e t 的门极驱动损耗和开关损耗，否则就 不能为满足d c d c 变换电路的功率密度要求而单纯增大工作频率。要解决这个 问题，首先必须从m o s f e t 的驱动电路入手。现阶段，通用的驱动电路是传统 的硬开关式门极驱动，它本身已不能满足高效的要求，所以迫切需要开发新型 的门极驱动电路。 针对这些要求，本文研究了一种新型的驱动电路谐振门极驱动电路， 它利用l c 谐振，能够恢复门极驱动能量，实现“无损驱动”。 但在研究与设计门极驱动电路之前，必须先搞清楚m o s f e t 的模型、开关 特性、损耗状况、栅极电荷以及输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对 驱动的影响。因为驱动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性，一个 好的m o s f e t 驱动电路的基本要求是： 1 ) 开关管导通时，驱动电路应能提供足够大的充电电流，使功率开关的门 极电压上升到需要值，保证功率开关快速开通且不存在上升沿的高频震荡。 2 ) 开关管导通期间，驱动电路能保证m o s f e t 的门极电压保持稳定并使 其可靠导通。 3 ) 开关管关断瞬间，驱动电路能提供一个低阻抗通路供m o s f e t 门极电 压快速放电，保证开关管能快速关断。 4 ) 关断期间驱动电路可以提供一定的门极负电压，避免功率开关受到干扰 产生误导通。 5 ) 驱动电路结构尽量简单。 第二节m o s f e t 的开关特性与损耗 在开关变流器中，与m o s f e t 相关的损耗有四种：1 ) 门极驱动损耗，2 ) 开关损耗，3 ) 导通损耗，4 ) 由于输出电容引起的损耗，下面将逐一介绍【5 1 。 1 2 1m o s f e t 的门极驱动损耗 图1 2 给出了m o s f e t 的门极充电电荷与门极驱动电压之间的关系，图中 显示的是一种最坏情况，即充电过程中门极电压具有明显的密勒平台。在每一 个开关周期中，m o s f e t 的寄生门极电容c g s 和c d s 充放电都需要能量，这些 浙江大学硕十学位论文 第一章 能量消耗在了m o s f e t 的门极串联电阻上。从图中可以得到当门极电压达到 v d r 矿时所需的总门极电荷q g ，门极驱动损耗的计算方法如式( 1 - 1 ) 。 矿= e 喙矿z = q g 矿z ( 1 - 1 ) 式中，石为开关频率，g 为m o s f e t 的门极等效电容。 q g ，总门极电荷( n c ) 图1 2m o s f e t 的门极充电电荷与电压之间的关系 1 2 2 导通损耗 导通损耗是由于m o s f e t 在导通过程中本身的导通电阻r d s o n ) 而引起的， 它的计算方法如式( 1 2 ) ，式中，i d sr m s 是m o s f e t 的漏极电流有效值。 = k 膦2 如 ( 1 2 ) 1 2 3 开关损耗和输出电容引起的损耗 这两种损耗是由于m o s f e t 的输出电容引起的，在开关开通或关断瞬间， 由于流过开关的电流和漏源极电压的重叠而产生损耗。开关开通后，储存在其 1 输出电容c 哪上的电荷会通过开关放电，就产生了去y 2 z 的损耗。 二 m o s f e t 的开通和关断瞬态如图1 3 所永6 1 ，开关损耗就发生在t 1 t 3 之间。式 ( 1 3 ) 给出了开关损耗的计算方法，由该式可得，开关损耗与开关频率、开关 时间、开关瞬时的电压和电流幅度成正比。当开关频率增加，开关损耗也会成 为影响变流器效率的一个重要因素。 1 只= 形姆厶z ( 岛一) ( 1 - 3 ) 根据图1 3 ，m o s f e t 的开关瞬态可以分为四个阶段，而这四个阶段的时间 长度与寄生电容的参数、门极电压的变化以及门极驱动电流密切相关。为了使 开关损耗最小，t r t 3 应尽量小，而影响这个时间的关键是：门极电压在密勒平台 时前级电路的电流能力，而与前级驱动电路的峰值电流不直接相关。 4 浙江大学硕士学位论文第一章 a ) 开通瞬时 b ) 关断瞬时 图1 3m o s f e t 开通和关断瞬时漏极电压和电流的变化情况 第三节门极驱动电路 由于m o s f e t 的门极驱动损耗与驱动电路直接相关，本节概述了常用的传 统门极驱动电路和新型的谐振门极驱动电路，第二章详细分析他们的工作原理 和损耗。 1 j j 驾 j j 驾 一 图1 4 传统驱动模型 1 3 1 传统门极驱动电路 现在所用的大多数驱动芯片，例如t i 的驱动芯片u c c 2 7 3 2 4 ，i r 的自举驱动 芯片i r 2 1 1 0 ，n i 的l m 5 1 0 0 系列驱动芯片等，它们的输出级驱动都是如图l - 4 所 示的电路，它被称为传统的硬开关式门极驱动电路。 尽管传统驱动电路的应用很多，但在某些场合，它存在很大的缺陷。例如 在高频、低压大电流变流器中门极驱动损耗大；充放电回路中的寄生电感容易 引起振荡，使电路工作不稳定；驱动瞬时存在较大的e m i 等问题【7 1 。 5 浙江大学硕士学位论文第一章 1 3 2 谐振门极驱动电路 为克服传统驱动电路的缺点，减小高频时的门极驱动损耗，从上世纪九十 年代初开始，许多学者提出了谐振门极驱动方案。美国电力电子系统研究中心 ( c p e s ) ，弗吉尼亚州理工大学，加拿大皇后大学计算机与工程系，以及塞尔 维亚贝尔格莱德大学电气工程学院的学者都有从事谐振门极驱动电路方面的研 究，并取得了许多成果8 。3 3 1 。 谐振门极驱动电路可以用在高频的同步b u c k 电路，半桥电路，推挽、倍流 整流等电路中，并且极大的提高了电路效率。 谐振门极驱动的基本出发点是利用l c 谐振将储存在m o s f e t i - 极电容中 的能量有效地回收利用，减小驱动损耗，并实现功率开关在开通和关断瞬时的 z v s 或z c s 以减小开关损耗【6 l ，但另一方面，由于需要附加电感和额外的电路， 必然增加驱动电路了的复杂性。 第四节本文研究的意义及主要内容 本文主要研究高频谐振门极驱动电路。在高频、低压大电流的d c d c 变流 器中，门极驱动损耗已成为影响电路效率而不能忽略的一部分。但常用的传统 门极驱动电路无法解决高频时损耗大的问题，而且它还存在e m i 大，门极寄生 参数的振荡等缺点。所以，在上世纪九十年代初，提出了高频谐振门极驱动电 路。它可以有效的减小门极驱动损耗，提高变流器的效率，但由于需要附加电 感和额外元件，谐振门极驱动电路必然增加驱动电路的复杂性。 本文第一章介绍了门极驱动电路对v r m 效率的影响以及研究驱动电路的 意义，m o s f e t 的开关特性和损耗，传统的门极驱动电路和谐振门极驱动电路， 以及本文的主要研究内容。第二章对比了几种典型的单管谐振门极驱动电路， 对它们进行了优化分析；然后介绍了不同学者提出的同步b u c k 和推挽电路的谐 振门极驱动方案，分别分析了它们的优缺点。第三章介绍了一种新型的单管正 弦波谐振门极驱动电路和它的损耗；双通道的电流型脉冲谐振门极驱动电路及 其损耗特性。第四章介绍了同步b u c k 电路的工作原理，分析了两种简单实用的 同步b u c k 的谐振门极驱动电路。第五章对本文的研究工作进行了总结和展望。 6 浙江大学硕士学位论文第一章 参考文献 【l 】张占松，蔡宣三开关电源的设计与原理第2 版北京：电子工业出版社，2 0 0 5 【2 】e r i c k s o nrwm a k s i m o v i cd f u n d a m e n t a l so fp o w e re l e c t r o n i c s 2 r i d e d k i u w e r a c a d e m i cp u b l i s h e r s ，2 0 01 【3 】z h o ux u n w e i l o w v o l t a g e ，h i g h - e f f i c i e n c y , f a s t - t r a n s i e n tv o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e p h d d i s s e r t a t i o n ，v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t ea n ds t a t eu n i v e r s i t y ，19 9 9 【4 】d u n nj a m i e m a t c h i n gm o s f e t d r i v e r st om o s f e t s m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ，a n 7 9 9 【5 】王正仕，张军明，徐德鸿实用开关电源设计第2 版北京：人民邮电出版社，2 0 0 6 【6 】纪圣儒，朱志明，周雪珍，王琳化m o s f e t 隔离型高速驱动电路电焊机，2 0 0 7 ，3 7 ( 5 ) 6 1 0 【7 】b a l o g hl a s z l o d e s i g na n da p p l i c a t i o ng u i d ef o rh i g hs p e e dm o s f e tg a t ed r i v ec i r c u i t s t e x a si n s t r u m e n t , a p p l i c a t i o nn o t e s ，s l u p l6 9 【8 】y a n gz h i h u a an e wh a l f - b r i d g et o p o l o g ya n dn e wg a t ed r i v ec i r c u i t sf o rl o wv o l t a g e d c d cc o n v e r t e r s k i n g s t o n , o n t a r i o , c a n a d a ：q u e e n su n i v e r s i t y , 2 0 0 5 9 】c h e ny u h u i r e s o n a n tg a t ed r i v et e c h n i q u e sf o rp o w e rm o s f e t s v i r g i n i a ：v i r g i n i a p o l y t e c h n i ci n s t i t u t e , 2 0 0 0 【10 】w i e g m a nhln ar e s o n a n tp u l s eg a t ed r i v ef o rh i g hf r e q u e n c ya p p l i c a t i o n s i e e ea p p l i e d p o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) ，19 9 2 ，7 3 8 7 4 3 【1 1 】w e i n b e r gsh an o v e l i o s s l e s sr e s o n a n tm o s f e td r i v e r i e e ep o w e re l e c t r o n i c s s p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ( p e s c ) ，1 9 9 2 ，l 0 0 3 1 0 1 0 【12 】d i a zj ，p e r e zm a ，l i n e r afm ，a l d a n af an e wl o s s l e s sp o w e rm o s f e td r i v e rb a s e do n s i m p l ed c d cc o n v e r t e r s i e e ep o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ( p e s c ) ，19 9 5 ， 3 7 4 3 【13 】a r n t z e nb ，m a k s i m o v i cd s w i t c h e d - c a p a c i t o rd c d cc o n v e r t e r sw i t hr e s o n a n tg a t ed r i v e i e e et r a n s a c t i o n so np o w e re l e c t r o n i c s ，19 9 8 ，8 9 2 9 0 2 【1 4 】x uk a l ，l i uy a n - f e i ，s e npc an e wr o s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tu t i l i z i n gl e a k a g ei n d u c t a n c e o ft r a n s f o r m e r i e e ei n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，i e c o n2 0 0 6 ，19 3 3 19 3 7 【15 c h e l ay ，l e efc ，a m o r o s ol ，w uh ar e s o n a n tm o s f e tg a t ed r i v e rw i t he f f i c i e n te n e r g y r e c o v e r y i e e et r a n s a c t i o n so np o w e re l e c t r o n i c s , v 0 1 19 ，n o 2 ，m a r c h2 0 0 4 , 4 7 0 4 7 7 7 【16 】c h e nyh ，l e efc ，a m o r o s ol ，w uh o - - p u ar e s o n a n tm o s f e t g a t ed r i v e rw i t hc o m p l e t e e n e r g yr e c o v e r y i e e ep o w e re l e c t r o n i c sa n dm o t i o nc o n t r o lc o n f e r e n c e ( i p e m c ) ，2 0 0 0 ， 4 0 2 - - 一4 0 6 【1 7 】e b e r l ew s e npc ，l i uyean e wr e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tw i t he f f i c i e n te n e r g y r e c o v e 哆 a n dl o wc o n d u c t i o nl o s s i e e ei n d u s t r i a le l e c t r o n i c ss o c i e t y ( m c o f 0 2 0 0 5 ，6 5 0 6 5 5 【1 8 】e b e r l ew l i uyf s e npc ar e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tw i t hr e d u c e dm o s f e t s w i t c h i n g a n dg a t el o s s e s i e e ei n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，i e c o n2 0 0 6 ，1 7 4 5 1 7 5 0 【l9 】e b e r l ew s e npc ，l i uyean o v e lh i g hp e r f o r m a n c er e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tw i t h1 0 w c i r c u l a t i n gc u r r e n t i e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) , 2 0 0 6 ，3 2 4 - 3 3 0 【2 0 l 6 p e zt ，s a u e r l a e n d e rg ，d u e r b a u mt ，t o l l et ad e t a i l e d a n a l y s i so far e s o n a n tg a t e d r i v e rf o rp w m a p p l i c a t i o n s i e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) ，2 0 0 3 。 8 7 3 8 7 8 【2l 】p a ns ，j a i npk an e wp u l s er e s o n a n tm o s f e t g a t ed r i v e rw i t he f f i c i e n te n e r g yr e c 0 v 哆 i e e ep o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ( p e s c ) ，2 0 0 6 ，2 5 6 2 2 5 6 6 【2 2 】v r i e sidd e ar e s o n a n t p o w e rm o s f e t i g b tg a t ed r i v e r i e e ea p p l i e dp 0 w e r e l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) , 2 0 0 2 ，17 9 18 5 【2 3 】w a n ghf w a n gf as e l f - p o w e r e dr e s o n a n tg a t ed r i v e rf o rh i g hp o w e rm o s f e tm o d u l e s i e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) , 2 0 0 6 ，18 3 1 8 8 【2 4 s t r y d o mjt ，r o o i jmad e ，w y kjdv a n ac o m p a r i s o no ff u n d a m e n t a lg a t e d r i v e r t o p o l o g i e sf o rh i g hf r e q u e n c ya p p l i c a t i o n s i e e ea p p l i e dp o w e re l e c 协m i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) ，2 0 0 4 ，10 4 5 - 10 5 2 【2 5 】d w a n eeo ts u l l i v a n ，de g a nm g a na s s e s s m e n t o fr e s o n a n tg a t ed r i v et e c h n i q u e sf o ru s e i nm o d e ml o wp o w e rd c - d cc o n v e r t e r s i e e ea p p l i e dp o w e re l e c 仃0 n i c sc o n f b r e n c e ( a p e c ) ，2 0 0 5 ，15 7 2 - 15 8 0 【2 6 】s p i a z z iqm a t t a v e l l irr o s s e t t ol d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt w o h i g h _ f r e q u e n c yr e s o n a n td r i v e r sf o rs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nm o s f e t s i e e ea p p l i e d p o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) , 2 0 0 7 ，16 4 4 16 5 0 【2 7 】y a ok ，l e efc an o v e lr e s o n a n tg a t ed r i v e rf o rh i g hf r e q u e n c ys y n c h r o n o 峭b u c k c o n v e r t e m i e e et r a n s a c t i o n so np o w e re l e c t r o n i c s ，v 0 1 17 ，n o 2 ，m a r c h 2 0 0 2 ，18 0 - 18 6 【2 8 】y a n gz h i h u a , y es h e n g , l i uy a n - f e i an e wr e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tf o rs y n c h r o n o _ u s r b u c kc o n v e r t e li e e et r a n s a c t i o n so i lp o w e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 7 ，1311 一13 2 0 1 2 9 z h a n gzl ，y a n gzh ，y | es ，l i uyet o p o l o g ya n da n a l y s i so fan e wr e s o n a n tg a t ed r i v e n i e e ep o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ( p e s c ) ，2 0 0 6 ，1 4 5 3 - 1 4 5 9 【3 0 】p a ns ，j a i npk an e wr e s o n a n tg a t ed r i v e rw i t ht w oh a l fb r i d g es t r u c t u r e sf o rb o t ht o p s w i t c ha n db o t t o ms w i s h ，i e e ep o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ( p e s o ，2 0 0 7 ， 7 4 27 4 7 3qz h a n gzl ，e b e r l ew ，l i uyf ，s e npc an e wc u r r e n t - s o u r c eg a t ed r i v e rf o rab u c kv o l t a g e r e g u l a t o r i e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) ，2 0 0 8 ，1 4 3 3 一- - 1 4 3 9 3 2 1x uk ，l i uyf ，s e npc ，an e wr e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tw i t hc e n t r e - t a p p e dt r a n s f o r m e r i e e ei n d u s t r i a le l e c t r o n i c ss o c i e t yo e c o n ) 2 0 0 5 ，6 3 9 6 4 4 【3 3 】y a n gzh ，y es ，l i uyean e wd u a lc h a n n e lr e s o n a n tg a t ed r i v ec i r c u i tf o rs y n c h r o n o u s r e c t i f i e r s i e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ( a p e c ) ，2 0 0 6 ，7 5 6 - - 一7 6 2 9 浙江大学硕士学位论文第二章 第二章谐振门极驱动电路的概述与对比 近年来，随着开关频率的提高，低压大电流电路的应用，“无损”的门极驱 动电路引起了人们的广泛关注。由于m o s f e t 功率管门极电荷q 大，增加了高 频驱动时的损耗。例如在同步整流电路中，高频下的驱动损耗使电路很难良好 工作，同时损耗也抵消了电路本身所取得的优点。本章首先详细分析了传统门 极驱动和谐振门极驱动电路的工作原理，选择了几种典型的单管谐振门极驱动 电路进行对比，利用理论和实验验证找出了高频应用中的优化拓扑；最后介绍 了现阶段不同学者提出的双管谐振门极驱动方案，指出了它们的优缺点。 第一节传统门极驱动电路的工作原理 如图2 1a ) 为传统的门极驱动电路原理图。图中电阻代表驱动回路的 寄生电阻和门极串联电阻，寄生电阻包括m o s f e t 的门极电阻，驱动开关s l 、 s 2 的导通电阻，p c b 线路电阻以及外部引线串连电阻等。由于线路中的引线电 感与输入电容在驱动电压激励下可能会引起严重的振荡，使驱动无法正常工作， 为此，通常在m o s f e t 门极串联一个电阻，使振荡阻尼在可接受范围内。电容 c i 代表m o s f e t 的等效门极输入电容，由于密勒效应，门极电容是非线性的。 图2 1b ) 即为考虑了密勒效应的门极驱动电流与电压波形1 1 1 。 v c c s l s 2 慨 l 暑 瑶 咯 s lo n s 2 0 nt 卜卜上 旷 一 厂 厂上 a ) 传统的门极驱动电路b ) 工作波形 图2 1 传统的门极驱动电路及其工作波形 传统门极驱动电路的工作原理是：在一个开关周期中，当s l 开通，电源 v 通过s l 、向c i 充电，门极充电电流f g 会有一个很高的峰值，如图2 1 b ) ， 其电流峰值近似为v 。风。当门极电压达到v 后继续上升时，s l 的反向并联二 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章 极管会导通，门极电压被钳位。若忽略s l 反并二极管的导通压降，则门极电压 最高为v ，此时门极驱动电流毛也降到零。当s 2 开通时，c i 通过如、s 2 放电。 若近似c i 为平均电容，则充放电过程可以等效为r - c 电路，则充电过程中电容 c i 的门极电压和电流为： ( f ) = ( 圪一吃弦& q + 圪 ( 2 - 1 ) i g ( t ) - 警e 丽 ( 2 2 ) 式中，吃为门极电容的初始电压。 放电过程门极电容c i 上的电压和电流为： t ( t ) ：v c c e 坼 ( 2 - 3 ) ) = 誓j ( 2 4 ) 传统的门极驱动损耗可根据下式计算： = c t 曝z = q v c c z ( 2 5 ) 应注意的是，c i 并不是m o s f e t 手册中的输入电容c i s s ，实际上，一个 m o s f e t i 拘有效输入电容c i 要比c i 豁大的多。其大小可从数据手册提供的门源电 压与总门极电荷q g 之间的曲线上得到。根据式( 2 - 5 ) ，存储在门极电容中的 驱动能量全部损耗在了门极电阻和门极驱动电路中，且与开关频率成正比。工 作频率越高，则门极驱动损耗越大，所以传统的驱动电路不适合高频应用。 第二节谐振门极驱动电路的工作原理 2 2 1 谐振门极驱动电路的工作原理 在谐振门极驱动电路中，由于要利用l - c 谐振，c 一般是功率开关的门极电 容，电感l 是需要额外附加的。众所周知，一个e h r 、l 、c 组成的二阶电路根据 参数选取的不同会有三种工作状态： 1 ) 孙2 后，电舡作在过阻删懒椭 2 ) 瓠2 后，电舡作在欠阻尼的振荡髓 浙江大学硕士学位论文 第二章 3 ) 当r = 2 岸，电路工作在临近非振荡状态。 vc 在谐振门极驱动电路中，由于电阻r 是充放电回路的寄生参数，一般很小， 所以谐振门极驱动电路工作在第2 ) 种状态，下面以图2 2 所示的一个典型的谐 振门极驱动电路的充放电等效回路为例加以介绍【。 一。 ( a ) 充电过程( b ) 放电过程 图2 - 2 充放电过程的等效电路 在图2 2 中，包括门极等效电阻和充放电回路的寄生电阻等，l r 为附加电 感，c i 为m o s f e t 的门极等效电容。引入特征阻抗的概念，谐振门极驱动电路 的特征阻抗为： z o = 括 协6 ) 为保证电路正常工作，电路参数应该满足的条件是：乓 r e q ，可近似认为l c 谐振周期为r o = 2 nl x 隔, c j ，m o s f e t 的开 关时间= ( 1 5 ) nt 为开关周期，而约为t o 4 或t o 2 ，由此可计算出 所需的电感量厶。 以开关时间为t o 4 为例，此时： 乙= 三瓜墅2r = 舅 ( 2 1 0 ) 根据式( 2 1 0 ) ，可以确定电感l r 的取值范围： 吉引 协 第三步：考虑到设计裕量，一般选择式( 2 1 1 ) 所确定的最大电感值。 若选取开关频率f s = l m h z ，m o s f e t 的门极c i = 4 n f ，驱动电压v = 1 0 v ， 假定门极电阻r g = l f l ，由式( 2 1 1 ) 得到电感l f 约为1 0 0 n i l 。如图2 4 为选定 参数后，式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 的实际变化波形。 2 1 s 0 摹 一l - 2 厂 ，八 、 v ii 2 0 1 5 之 s 1 0 牮 5 0 i 八 l l 广 夕 j 一 01 1 0 。2100 1 1 0 。2 - 1 0 。 一一_一_ t st s a ) 电流振荡波形b ) 电压振荡波形 图2 4 电流与电压仿真波形 电压型驱动中的电感一般是n h 数量级，而在电流型驱动中，由于谐振周期 较大，电感值较大，为l a h 数量级。 第三节单管谐振门极驱动电路的分析对比 本节从现已提出的许多单管谐振门极驱动拓扑中【3 之5 1 ，选取了三种典型的 电路进行对比，它们都具有结构简单，所用元件少，易于驱动，设计方便的特 点。为体现这三种电路的优点，本节也列出了与它们结构类似的电路进行比较， 以选择出适合高频应用的电路 2 6 - 2 8 1 3 6 1 。 1 4 浙江大学硕七学位论文