一种混合式谐振驱动电路及其控制方法与流程

本发明属于开关电源领域，更具体地，涉及一种混合式谐振驱动电路及其控制方法。

背景技术：

在电力电子技术的发展过程中，电力电子设备的关键组成部分以及发展一直依赖于功率半导体器件。近年来，随着半导体技术的发展，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sicmosfet)可以实现更高的开关速度与开关频率。但是随着开关频率的升高，驱动损耗便线性增加。传统驱动在高频工作环境下具有较大的驱动损耗，在体积上与sicmosfet功率模块不匹配，制约了系统功率密度的进一步提高。

图1是传统驱动的拓扑示意图，主要包括半桥结构以及驱动电阻。其采用半桥结构来放大控制信号，以提供sicmosfet栅极所需的开关电压。驱动电阻的加入是为了抑制sicmosfet开关过程中栅极电压的震荡。驱动电源所提供的能量将全部消耗在驱动电阻上，在高频下需要较大功率驱动电源，所以功率电源的体积相应更大。

图2是全桥谐振驱动拓扑示意图，主要包括全桥结构以及谐振电感。谐振电感lr用以与sicmosfet输入电容谐振，将输入电容中的能量反馈至驱动电源，其驱动损耗相较传统驱动明显降低。其中，simosfet器件s1与s3用于提供谐振回路，s2与s4用于对栅极电压进行有源钳位，以防止震荡过冲以及由于simosfet体二极管与cds反向充电引起的栅极电压掉落。但这种结构控制复杂，器件繁多，不利于功率密度的提高。

另一方面，谐振驱动通过调节功率器件开关瞬态过程的斜率，实现功率器件开关特性的优化，如开关损耗的降低以及电磁干扰的降低。由于功率器件的开通损耗往往远大于关断损耗，对于其开通过程的优化显得更为重要。

基于以上分析，在高开关频率下，传统驱动的驱动损耗高，所需驱动电源功率高、体积大；而全桥谐振驱动虽然降低了驱动损耗，降低了对驱动电源的要求，但控制复杂、器件多。与此同时，基于硅器件的谐振型驱动具有开关速度有限、器件反向恢复损耗较大等局限性。对于功率器件来说，其开通过程的优化将直接影响器件的开通损耗、di/dt以及dv/dt。功率器件的开通损耗远高于关断损耗。功率器件往往工作于半桥拓扑中，为交替开关工作。在高开关频率下，器件的关断往往会受到另一个器件的开通影响，造成误导通，即串扰的现象。综上所述，有必要设计一种控制简单、驱动损耗低、具备开通过程优化且关断钳位的sicmosfet驱动。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种混合式谐振驱动电路及其控制方法，旨在解决现有驱动结构存在的驱动损耗较高、体积较大以及控制复杂的问题。

本发明提供了一种混合式谐振驱动电路，包括混合桥式结构、谐振电感和主功率器件；

所述混合桥式结构包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，所述第一开关管的漏极和所述第一二极管的阴极均与驱动电源正极相连，所述第一开关管的源极与所述第二二极管的阴极相连，所述第一二极管的阳极与所述第二开关管的漏极相连，所述第二二极管的阳极和所述第二开关管的源极均连接到驱动电源负极；

所述谐振电感的一端连接到所述第一开关管的源极，另一端与所述第二开关管的漏极和主功率器件的栅极连接。

进一步地，所述第一开关管和第二开关管均为ganhemt。

进一步地，所述第一开关管用于向所述主功率器件的栅极谐振充电。

进一步地，所述第二开关管用于关断所述主功率器件。

进一步地，所述第一二极管、第二二极管与谐振电感构成能量反馈回路。

本发明还提供了一种基于所述混合式谐振驱动电路的控制方法，包括以下步骤：

控制所述第一开关管导通及所述第二开关管关断，谐振电感与所述主功率器件栅极输入电容进行谐振，谐振电感电流开始上升；

当栅极电压被充电至高于驱动电源正极电压vcc时，所述第一二极管导通，所述第一开关管关断，谐振电感电流将通过所述第二二极管、谐振电感、所述第一二极管反馈至驱动电源；

反馈过程结束后，控制所述第二开关管导通，所述第一开关管关断，所述主功率器件的栅极输入电容通过所述第二开关管放电，直到栅极电压等于驱动电源负极电压vee。

进一步地，所述谐振电感与所述主功率器件输入电容的谐振充电时间由所述第一开关管的开通时间决定。

进一步地，所述第一开关管控制信号的脉宽通过所述谐振电感与所述主功率器件输入电容的谐振时间计算其中ciss_s为所述主功率器件的等效输入电容vdrive为驱动电源输出的差值vdrive＝vcc-vee，qg为所述主功率器件的栅极总电荷。

进一步地，所述第一开关管控制信号的脉宽通过动态检测所述主功率器件的栅极电压决定：当栅极电压达到驱动电源正极电压vcc时，关断第一开关管。所述第二开关管控制信号的脉宽一般由变换器工作的占空比决定。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)用谐振驱动电感代替驱动电阻，可将驱动电源所提供的能量部分回收，降低驱动损耗。

(2)本发明采用混合型全桥结构可以大大简化控制，相比全桥谐振驱动，仅需两个控制信号，并且，仅需两个开关器件，器件数量有所减少，体积进一步降低。

(3)本发明中采用ganhemt，具有近乎为0的反向恢复损耗，相较于simosfet，损耗更低，可降低在高频工作下桥式结构中所需的驱动能量；而且ganhemt开关速度快，可快速关断sicmosfet，相较于simosfet体积更小，有利于功率密度的提高。

(4)本发明采用ganhemt的直接钳位式关断策略，具有超快速关断特性，不仅可以快速相应关断信号以及系统中的其他检测信号，也可以实现功率器件的门级钳位，防止串扰现象。

附图说明

图1是传统驱动拓扑示意图；

图2是全桥谐振驱动拓扑示意图；

图3是本发明的一种基于gan器件的sicmosfet谐振驱动结构示意图；

图4是本发明的谐振驱动电路中控制信号的示意图；

图5是本发明在实验中测得的开通过程；

图6是本发明在实验中测得的关断过程；

图7是常规驱动关断波形；

图8是本发明与现有技术中基于si器件的全桥谐振结构在驱动同一sicmosfet下的损耗对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种基于gan器件的sicmosfet谐振驱动电路，如图3所示，包括混合桥式结构、谐振电感lr和主功率器件m1，主功率器件m1为sicmosfet；图中rg为栅极寄生电阻，cgd、cgs、cds均为极间寄生电容。

所述混合桥式结构包括第一开关管s1、第二开关管s2、第一二极管d1和第二二极管d2，所述第一开关管s1和第二开关管s2均为ganhemt。所述第一开关管s1的漏极和所述第一二极管d1的阴极均与驱动电源正极vcc相连，所述第一开关管s1的源极与所述第二二极管d2的阴极相连，所述第一二极管d1的阳极与所述第二开关管s2的漏极相连，所述第二二极管d2的阳极和所述第二开关管s2的源极均连接到驱动电源负极vee；

所述谐振电感lr的一端连接到所述第一开关管s1的源极，另一端与所述第二开关管s2的漏极和主功率器件m1的栅极连接。

所述第一开关管s1用于向sicmosfet栅极谐振充电，s1的开通时间决定了谐振电感与sicmosfet输入电容的谐振充电时间。所述第二开关管s2用于直接关断sicmosfet，可以实现sicmosfet的快速关断。

所述二极管d1、d2提供了谐振电感电流的反馈回路，即在完成谐振开通后，谐振电感中所剩余的能量将反馈至驱动电源，降低驱动损耗。所述第一二极管d1可以抑制开关瞬态过程中栅极电压的过冲，当栅极电压vgs大于驱动电源正极性电压时，第一二极管d1导通，抑制栅极电压的过冲。

本发明实施例还提供了一种基于上述谐振驱动电路的控制方法，具体步骤包括：

如图4，t0-t1阶段为谐振充电阶段，控制第一开关管s1导通，第二开关管s2关断，谐振电感与sicmosfet栅极输入电容进行谐振，谐振电感电流开始上升。其驱动电流igs呈正弦波形，栅极电压vgs上升速度由缓至快；在t1时刻，电感电流达到最大值，栅极电压达到vcc。

t1-t2为反馈阶段。当栅极电压vgs被充电至略高于驱动电源电压vcc时，钳位二极管d1导通；第一开关管s1关断，由于谐振电感的续流作用，谐振电感电流将通过第二二极管d2、谐振电感、第一二极管d1反馈至驱动电源。反馈过程结束后，谐振开通过程结束。

t3-t4为硬关断阶段。控制第二开关管s2导通，第一开关管s1关断，sicmosfet栅极输入电容通过第二开关管s2快速放电，直到t4时刻栅极电压等于驱动电源负极性电压vee，实现sicmosfet的快速关断。其驱动电流igs波形即为rc放电波形，栅极电压vgs变化由快至缓。

t4-t5为有源钳位阶段。第二开关管s2持续导通，将栅极电压一直钳位在vee。第二开关管s2在t5时刻关断，开始下一个周期的工作。

第一开关管s1与第二开关管s2所需的控制信号也在图4中示出：第一开关管s1的控制信号脉宽可以通过谐振电感与sicmosfet输入电容所需的谐振时间计算其中ciss_s为sicmosfet的等效输入电容vdrive为驱动电源输出的差值vdrive＝vcc-vee，qg为所述主功率器件的栅极总电荷。所述第一开关管控制信号的脉宽也可以通过动态检测主功率器件栅极电压所决定：当栅极电压达到驱动电源正极电压vcc时，即关断第一开关管。

图5与图6为上述谐振驱动的开通和关断波形。通过对于谐振电感的调节，开通时间为40ns。关断时间为20ns，为常规驱动的关断速度的4倍(如图7所示)。

图8为上述谐振驱动与全桥式硅器件的谐振驱动的损耗对比。使用sicmosfetc3m0030090k测量驱动损耗。在200khz下全桥式硅器件的谐振驱动的损耗为0.75w，所述谐振驱动损耗为0.39w，降低48％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。