用于隔离输入开关元件的栅极驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于开关元件的栅极驱动器，更具体地，设及一种用于提高开关 元件的驱动效率的栅极驱动器。
【背景技术】 阳00引图1是图示包括传统的MOS阳T开关的LLC谐振逆变器电路的视图。
[0003] 在如图1中所示的LLC谐振逆变器电路中，MOS阳T开关Ml和MOS阳T开关M2交替 开关W向负载供给能量。在该情况下，如果W高于由电感器LU电容器Cl和磁化电感确定 的谐振频率的开关频率驱动Ml和M2,则在Ml或M2的漏源电压几乎为零时可W接通开关。 该操作被称为"零电压开关狂VS)"。通过执行ZVS操作，不仅可W使开关的导通损耗最小， 而且可W减少电磁干扰。
[0004] 图2是现有技术的同步降压转换器的电路图。
[00化]在如图2中所示配置的同步降压转换器中，当Ml接通时，经由Ll将能量供给负 载。随后，当Ml断开时，电感器电流续流通过M2,并且此时，M2两端的漏源电压接近零，因 此满足ZVS。
[0006] 图3是在使用传统的栅极驱动器执行的ZVS的情况下的等效电路图。
[0007] 图3示出了当使用传统的栅极驱动器10接通满足ZVS条件的开关时的等效电路 图。作为ZVS条件，Ml的漏极处于与源极相同的电位。在图3中，Ml的漏极被设定为地电 平。此时，当M2接通时，Ml也接通，从而完成ZVS。对于要接通的M1，必须将栅源寄生电容 器Cgs和栅漏寄生电容器Cgd充电到使得MOSFET接通的阔值电压W上。通过下式1获得从 电源VDD提供的功率
[000引Pdriving二Qg?VDD?f
[0009] 二（Cgs+Cgd) ?VDD2 ?f(I)
[0010] 由于表示要供给的电荷的成是（Cg,+Cgd)*VDD，因此如式I中所示，与栅极 的总寄生电容（Cg=Cgg+Cgd)成比例。其还与驱动电压的平方W及与开关频率成比例。在 驱动频率低的情况下，尽管开关损耗较之MOSFET的接通电阻Rdson引起的导通损耗通常是 可忽略的，但是开关损耗随着频率的上升而增加，运意味着不论开关的Rdson增加多少，仍 不可能实现具有良好的效率的系统。
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 本发明的目的在于提供一种能够减少因在开关元件的驱动期间对栅极充电导致 的开关功耗的栅极驱动器。
[0013] 技术解决方案
[0014] 本发明提供了一种用于驱动开关元件的栅极驱动器，该栅极驱动器包括禪合到开 关元件的输入的电容器。
[0015] 栅极驱动器可W被配置成通过经由电容器供给电荷来接通开关元件，并且在断开 开关元件时使电容器放电。
[0016] 栅极驱动器可W被配置成通过经由电容器供给电荷来接通开关元件；在断开开关 元件时储存电容器中存储的电荷；并且在控制开关元件再次接通时重新使用电容器中储存 的电荷。栅极驱动器可W被配置成，当栅极驱动器控制开关元件再次接通时，允许与寄生电 容器共享电容器中保存的电荷。开关元件的寄生电容器可W包括开关元件的栅源寄生电容 器和栅漏寄生电容器。
[0017] 有利效果
[0018] 根据本发明，栅极驱动器，具体地电容器禪合栅极驱动器（CCGD)和电荷再循环电 容器禪合栅极驱动器（CRCCGD)二者均基于电容器禪合驱动器，并且在略微增加导通损耗 时，此二者仍通过W大于导通损耗的增加率降低开关损耗来提高整体效率。
[0019] 根据本发明，尤其是在执行零电压开关并且W高速驱动诸如MOSFET和GaN器件的 输入隔离的开关器件的应用中，具有高频的CCGD和CRCCGD较之现有方法带来效率提高的 效果。
【附图说明】
[0020] 图1是图示包括传统的MOS阳T开关的LLC谐振逆变器电路的示图。
[0021] 图2是现有技术的同步降压转换器的电路图。
[0022] 图3是使用传统的栅极驱动器执行的ZVS的情况下的等效电路图。
[0023] 图4是示出MOS阳T的栅极驱动电压和接通电阻的曲线图。
[0024] 图5是示出根据MOS阳T的尺寸的最大效率点的曲线图。
[0025] 图6是根据本发明的示例性实施例的栅极驱动器的电路图。 阳0%] 图7是图6的栅极驱动器电路的操作原理的示图。
[0027] 图8是根据本发明的另一示例性实施例的栅极驱动器的电路图。
[0028] 图9是示出图8中所示的每个开关的驱动波形的示图。
[0029] 图10图示了用于示出图8的栅极驱动器的操作原理的电路图。
[0030] 图11是用于说明在如图10中所示驱动栅极驱动器时的功率节约因子（PS巧的分 析的示图。
[0031] 图12是示出根据电容器Cs的容量的栅极电压的幅值的曲线图。 阳03引 图13是示出CRCCGD和CCGD之间的PSF比较的曲线图。
[0033] 图14是有源整流器效率测试电路图。
[0034] 图15是示出有源整流器的效率的曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 通过附图将更清楚地理解本发明的W上和另外的方面，在附图中示出了本发明的 示例性实施例。在下文中，提供了示例性实施例W详细描述本发明，使得本领域技术人员能 够实施和完整地理解本发明。
[0036] 图4是示出MOS阳T的栅极驱动电压和接通电阻的曲线图。
[0037] 图4是示出根据20V横向双扩散MOS(U)MO巧的栅极驱动电压的MOS阳T的接通 电阻Rdson的曲线图。X轴表示栅极驱动电压[V]并且Y轴表示MOS阳T的接通电压，即Rdson虹Ohm]。如果20VLDMOS的阔值电压被设定为约0. 8V，并且当20VLDMOS被驱动到 2VW上时，可W实现期望的接通特性。此外，在栅极电压增加时，Rdson减小，但是不剧烈； 并且即使在电压增加时，仍仅存在最小的减小量。曲线图中的MOSFET栅极的宽度和长度之 间的比是6000*NR/1. 3 [um/um]，其中可W看到在通过使NR上升来使MOS阳T尺寸增加时， Rdson减小。在Rdson随着MOS阳T尺寸的增加而减小时，导通损耗也减小，同时总栅极电容 Cg增加。因此，开关损耗增加，导致在图5中可W看到的情况。因此，在两个效率相遇的点 处，可W满足最大效率（即最小损耗）。在下文中，将详细描述通过减小开关损耗来提高效 率的开关机制。
[0038] 图6是根据本发明的示例性实施例的栅极驱动器的电路图；并且图7是图6的栅 极驱动器电路的操作原理的示图。
[0039] 图6表示电容器禪合栅极驱动器（CCGD)电路。CCGD电路包括串联连接在包括M2 和M3的驱动器的输出端子和Ml之间的电容器Cs。图7中示出了CCGD电路的操作。图 7(a)示出了在Ml接通时的操作；而图7(b)示出了在M2断开时的操作。如图7(a)中所示， 当M2接通时，通过Cs供给电荷，Vg上升，并且Ml接通。当Ml断开时，M3和M4二者同时接 通，Vg变为零伏（Vg= 0)，并且Cs被放电。如果Cs未被放电，则电荷不能被递送到Ml栅 极。 W40] 在如上所述的运些操作期间，电压Vg根据Cs的容量而变化。假定Cg=Cgs+Cgd 和Cs如式2所示，则如式3确定栅极电压Vg。 W41]Cs=a?Cg似 闺
(3)
[0043] 在电源中必须被充电的总电容Ctotal与串联连接的Cs和Cg的容量相同并且因 此被表示为式4。 W44]
(4) W45] 因此，使用式1和式4,由于CCGD引起的开关损耗I\cceD可W被表示为式5。 幽]
CS.)
[0047] 运里，PSF表示功率节约因子，其指示较之现有的驱动器驱动开关期间的开关损耗 的开关损耗的减少比。 W48] 如可从式3看到的，可W通过调整Cs的容量来控制电压Vg。在Cs降低时，电压Vg下降，并且因此导通损耗增加。然而，如可从式5看到的，开关损耗仍减小。如图4中确 认的，当栅极电压是2. 5V或更高时，MOSFET的Rdson没有显著增加，并且因此较之添加Cs 引起的导通损耗，开关损耗的减小可W是较大的。如果通过指定a来设定CsW满足运些 条件，则可W提高效率。在a=1的情况下，给定VDD= 5V，则Vg变为2. 5V。此时，Rdson 增加约20%并且PSF= 1/2,并且因此开关损耗减少50%。因此，当使用上述机制时可W预 期25 %的效率提高。 W例图8是根据本发明的另一示例性实施例的栅极驱动器的电路图。
[0050] 图8图示了用于进一步改进开关损耗的增强的栅极驱动器。在图6的栅极驱动 器中，当Ml断开时，Cs电荷被放电，并且因此效率提高不明显。另一方面，在图8的栅极驱 动器电路中，当断开的Ml被再