高频dc-dc变换器及其谐振驱动电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了高频DC-DC变换器及其谐振驱动电路，属于电力电子器件尤其是开 关电源的技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统PffM DC-DC变换器的工作频率一般在MHz以下，其体积、重量和动态响应都受 到了较大限制。为了大幅提升功率密度、集成度、动态性能和可靠性，工业界正不断推动工 作频率的大幅增加。开关频率的增加直接降低了对功率变换器件的储能要求，改善了瞬态 响应速度，并且在理论上实现了无源元件（电容和磁性元件）的小型化和集成度，提升了功 率密度。同时新型半导体器件的推出和新型磁性材料的不断发展，也为功率变换的高频化 发展提供了可能性。
[0003] 虽然开关频率的大幅提高带来了很多优点，但同时也带来很多问题和挑战，包括 功率半导体器件开关损耗的显著增加，电路寄生参数的影响加剧，高速驱动的实现等等，这 些问题都有待解决。因此高频功率变换技术日益成为国内外高效、高性能功率变换技术的 研究热点。
[0004] 另外，在低压输出场合，整流电路作为DC/DC高频变换器的重要组成部分，对变换 器的整机性能起着非常关键的作用。传统的整流电路采用功率二极管，由于二极管的通态 压降较高（典型值为〇. 3~IV)，因此整流损耗较大。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了高频DC-DC变换 器及其谐振驱动电路，实现开关管的零电压开通，减小了开关损耗以及应力，减小了导通损 耗，解决了提高开关频率以提升变换器功率密度存在开关损耗增加、电路寄生参数的影响 加剧、高速驱动实现难的技术问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 高频DC-DC变换器，包括：依次连接的逆变模块、阻抗匹配模块、整流模块，
[0008] 逆变模块包括：第一谐振电感和第一谐振电容、在两倍开关频率处谐振的第二谐 振电感和第二谐振电容、第一 MOS管，第一谐振电感一端接直流电压源正极，第一谐振电感 另一端与第二谐振电感一端、第一 MOS管源极相连接，第二谐振电感另一端接第二谐振电 容一极，第二谐振电容另一极、第一 MOS管漏极与直流电压源负极连接后接地，第一谐振电 容并联在第一 MOS管的源极和漏极之间，第一谐振电感和第一谐振电容参与谐振；
[0009] 阻抗匹配模块包括：第三谐振电感和第三谐振电容，第三谐振电感一端接第一 MOS管源极，第三谐振电感另一端接第三谐振电容一极，所述第三谐振电感和第三谐振电容 的等效阻抗为感性；
[0010] 整流模块包括：第四谐振电感、第四谐振电容、输出电容、第二MOS管，第四谐振 电容一极、第四谐振电感一端、第三谐振电容另一极均与第二MOS管源极相连接，第四谐振 电感另一端接输出电容一极，第二MOS管漏极、第四谐振电容另一极、输出电容另一极均接 地，第四谐振电感和第四谐振电容参与谐振。
[0011] 作为所述高频DC-DC变换器的进一步优化方案，第一谐振电感的电感值Lf、第二谐 振电感的电感值L2f、第二谐振电容的电容值C2f满足以下表达式：
[0015] 其中，Cf为第一谐振电容的电容值，C C dsl，Cdsl为第一 MOS管寄生电容的电容 值，fs为开关频率。
[0016] 进一步的，调整所述高频DC-DC变换器中第一谐振电感的电感值以及第一谐振 电容的电容值，以使第一 MOS管漏极与源极之间等效电阻在开关频率匕处的相角裕度在 30°以上且第一 MOS管漏极与源极之间等效电阻满足：Zds(fs)>Zds(3f s)》Zds(2fs)的约束， Zds (fs)、Zds (2fs)、Zds (3fs)分别为第一 MOS管漏极与源极之间等效阻抗在开关频率处、两倍 开关频率处、三倍开关频率处的取值。
[0017] 高频DC-DC变换器的谐振驱动电路，包括：将初始驱动信号分裂为两个具有一定 相位延时驱动信号的移相网络、包含两个反相器组的反相器并联驱动级、包含两个谐振驱 动回路的谐振驱动模块，其中，两个反相器组的输出端分别接两个具有一定相位延时驱动 信号中的一个驱动信号，两个谐振驱动回路输入端分别与两组反相器组中一个反相器组的 输出端连接，两个谐振驱动回路输出端分别接在第一 MOS管或第二MOS管的栅源极之间。
[0018] 作为所述高频DC-DC变换器的谐振驱动电路的进一步优化方案，移相网络包括： 隔直电阻、隔直电容、移相电阻、移相电容、比较器，其中，
[0019] 隔直电容一极接初始驱动信号，隔直电容另一极与隔直电阻一端、移相电阻一端 相连接，移相电阻另一端、移相电容一极均与比较器正相输入端连接，隔直电阻另一端、移 相电容另一极、比较器负相输入端均接地，比较器输出端接一个反相器组的输入端。
[0020] 进一步的，所述高频DC-DC变换器的谐振驱动电路中，两个谐振驱动回路结构相 同，均包括：串联谐振电感、辅助开关管、并联谐振电感、并联隔直电容、门极寄生电阻、门极 寄生电容，其中，
[0021] 串联谐振电感一端接一个反相器组输出端，串联谐振电感另一端与辅助开关管漏 极、并联谐振电感一端、门极寄生电阻一端相连接，辅助开关管栅极接控制信号，并联谐振 电感另一端接并联隔直电容一极，门极寄生电阻另一端接门极寄生电容一极，辅助开关管 源极、并联隔直电容另一极、门极寄生电容另一极均接地。
[0022] 再进一步的，所述高频DC-DC变换器的谐振驱动电路中，串联谐振电感的电感值Ld 为：
Lp为并联谐振电感 和并联隔直电容在开关频率处的等效电感值，为并联谐振电感和并联隔直电容在开关 频率处的等效电感Lp与变换器中两开关管栅源寄生电容的等效电容值。
[0023] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0024] (1)变换器中所有的电感和电容均参加谐振，实现了开关管的零电压开通；
[0025] (2)为保证逆变模块中开关管能够实现ZVS，阻抗匹配模块的等效阻抗呈感性；逆 变模块中并联在开关管两端的LC电路谐振在两倍开关频率处形成二次谐波陷阱，使得谐 振网络阻抗对二次谐波呈现低阻抗；逆变模块中参与谐振的第一谐振电感和第一谐振电容 使得谐振网络阻抗对一次谐波和三次谐波呈高阻抗并帮助开关管实现ZVS ;
[0026] (3)适当调节逆变模块中参与谐振的第一谐振电感和第一谐振电容的参数以使得 逆变模块中开关管实现ZVS且电压应力更小；
[0027] (4)驱动电路采用RC移相谐振驱动实现了同步整流技术，减小了导通损耗，适用 于低压输出场合；
[0028] (5)变换器在该驱动电路驱动下工作，可用于超高频场合（IOMHz以上），提高了变 换器的功率密度。
[0029] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0031] 图1为同步整流高频DC/DC变换器的结构示意图。
[0032] 图2为E类同步整流电路仿真模型。
[0033] 图3为扫描1^时E类同步整流电路的输入基波电压和电流波形。
[0034] 图4为同步整流高频DC/DC变换器等效电路图。
[0035] 图5为逆变电路的等效阻抗电路。
[0036] 图6为谐振网络的阻抗特性。
[0037] 图7为Z#P Z ds的阻抗特性。
[0038] 图8为谐振驱动电路的结构示意图。
[0039] 图9(a)为主开关》5管仏的驱动波形和ds两端电压波形，图9(b)为同步整流 MOS管Q2的驱动波形和ds两端电压波形。
[0040] 图中标号说明：Vin为直流电压源，1^、1^、1^、1^为第一、第二、第三、第四谐振电感， CF、C2F、Cs、Cr为第一、第二、第三、第四谐振电容，Q 主开关MOS管，Q 2为同步整流MOS管， Co为输出电容，&为负载电阻，V _为输出电压，i sin为基波电流，V sin为基波电压，R _为整 流电路等效电阻，C2为隔直电容，C3为移相电容，R1为隔直电阻，R 2为移相电阻，U2Scmos 反相器组，Ldl、Ld2为串联谐振电感，L gl、Lg2为并联谐振电感，C gl、Cg2为并联隔直电容，R gl、Rg2 为门极寄生电阻，Cgsl、Cgs2为门极寄生电容，V gsl、V