采用自谐振网络的mosfet高频驱动器的制造方法
【专利摘要】采用自谐振网络的MOSFET高频驱动器，属于电力电子领域。解决了现有高频MOSFET的驱动多采用晶振实现，该种驱动方式灵活性较差的问题。它包括电感LF、辅助开关管Shelp和自谐振反馈网络模块；电感LF的一端与输入电源的正极连接，电感LF的另一端同时与自谐振反馈网络模块的电源正极和辅助开关管Shelp漏极连接，自谐振反馈网络模块电源负极同时与输入电源的负极和辅助开关管Shelp源极连接，自谐振反馈网络模块的电压信号输出端与辅助开关管Shelp的栅极连接，辅助开关管Shelp的漏极与被测主开关管Smain栅极连接，辅助开关管Shelp的源极与被测主开关管Smain源极连接。用于对MOS进行驱动。
【专利说明】
采用自谐振网络的MOSFET高频驱动器
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子领域。
【背景技术】
[0002] MOSFET在电力电子领域应用广泛，近年来，随着电力电子变换器向小型化、高功率 密度方向的发展，提高功率器件的工作频率成为一大研究热点。目前高频MOSFET的驱动多 采用晶振实现：晶振输出的方波信号经与口增加驱动能力后，通过外加电感和开关管寄生 电容的谐振转化为所需的正弦驱动信号。运种驱动方式灵活性较差，主要表现在W下两个 方面：
[0003] 1、不能调整驱动信号的频率和占空比。
[0004] 2、只能通过滞环比较的方法来实现系统的闭环控制。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决现有高频MOSFET的驱动多采用晶振实现，该种驱动方式灵活性 较差的问题，本发明提供了一种采用自谐振网络的MOSFET高频驱动器。
[0006] 采用自谐振网络的M0S阳T高频驱动器，它包括电感Lf、辅助开关管Shelp和自谐振反 馈网络模块;所述的辅助开关管Shelp为M0S管；
[0007] 所述的电感Lf的一端用于与输入电源Vgate的正极连接，电感Lf的另一端同时与自 谐振反馈网络模块的电源正极和辅助开关管Shelp的漏极连接，
[0008] 自谐振反馈网络模块的电源负极同时与输入电源Vgate的负极和辅助开关管Shelp的 源极连接，自谐振反馈网络模块的电压信号输出端与辅助开关管Shelp的栅极连接，
[0009] 辅助开关管Shelp的漏极用于与被测主开关管Smain的栅极连接，
[0010]辅助开关管Shelp的源极用于与被现性开关管Smain的源极连接，
[00川所述的被测主开关管Smain为M0S管，
[0012] 自谐振反馈网络模块用于产生驱动信号，对辅助开关管Shelp进行驱动。
[0013] 所述的自谐振反馈网络模块包括电感Lt、电容Cb和电感Lr;
[0014] 电感Lt的一端作为自谐振反馈网络模块的电源正极，电感Lt的一端同时与电感Lf 的另一端和辅助开关管Shelp的漏极连接，电感Lt的另一端与电容Cb的一端连接，电容Cb的另 一端同时与电感Lr的一端和电容Cb的一端连接；
[0015] 电容Cb的另一端作为自谐振反馈网络模块的电源负极，
[0016] 电感Lr的另一端作为自谐振反馈网络模块的电压信号输出端。
[0017]所述的自谐振反馈网络模块还包括电感Lst，
[001引电感Lst的一端与电感Lf的一端连接，电感Lst的另一端同时与电感Lr的一端、电容 Cb的另一端和电容Cb的一端连接。
[0019] 本发明带来的有益效果是，
[0020] 1、采用classO结构，利用辅助开关管漏源极两端的近似梯形波来驱动主开关管， 可w降低主开关管电压应力，减少其开关损耗及谐波成分，从而提高系统的效率。
[0021] 2、在classO中加入自谐振反馈网络，调整元器件参数可W实现不同开关频率和 占空比的设计，且不依赖于系统的输入电压与主开关管的参数，也不会影响电路的特性，运 可W有效提高M0SFET的驱动的灵活性与通用性。
【附图说明】
[0022] 图1为【具体实施方式】一所述的采用自谐振网络的M0SFET高频驱动器的原理示意 图；Rg为辅助开关管Shelp的栅极电阻，Cgs_help为辅助开关管Shelp的极间电阻，
[0023] 图2为【具体实施方式】二所述的自谐振反馈网络模块的原理示意图；
[0024] 图3为【具体实施方式】Ξ所述的自谐振反馈网络模块的原理示意图；Vgs_help表示辅 助开关官Shelp栅源间电压,Vgsjnain表不被测王开关官Smain栅源间电压，
[0025] 图4为【具体实施方式】二中自谐振反馈网络模块的等效电路图，Zr为电感Lr的等效阻 抗，Ζτ为电感Lt的等效阻抗，&为电容Cb的等效阻抗，
[0026] 图5为【具体实施方式】二中，根据戴维宁等效原理对自谐振反馈网络模块的进行等 效的电路图，该电路主要对WVds_heip为输入，C点为输出，包含阻抗Zf、Zb部分的一端口网络 进行等效;Vf为等效后的电压源;Zf为等效后的阻抗，
[0027] 图6为自谐振部分传递函数的伯德图；
[0028] 图7为自谐振反馈网络模块驱动M0SFET(即：被测主开关管Smain)的波形图；
[0029] 图8为自谐振反馈网络模块的拓扑结构示意图；
[0030] 图9为本发明所述的采用自谐振网络的M0SFET高频驱动器的验证电路图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0031] 一:参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的采用自谐振网络的 M0SFET高频驱动器，它包括电感Lf、辅助开关管Shelp和自谐振反馈网络模块1;所述的辅助开 关管Shelp为M0S管；
[0032] 所述的电感Lf的一端用于与输入电源Vgate的正极连接，电感Lf的另一端同时与自 谐振反馈网络模块1的电源正极和辅助开关管Shelp的漏极连接，
[0033] 自谐振反馈网络模块1的电源负极同时与输入电源Vgate的负极和辅助开关管Shelp 的源极连接，自谐振反馈网络模块1的电压信号输出端与辅助开关管Shelp的栅极连接，
[0034] 辅助开关管Shelp的漏极用于与被测主开关管Smain的栅极连接，
[0035] 辅助开关管Shelp的源极用于与被测主开关管Smain的源极连接，
[0036] 所述的被测主开关管Smain为M0S管，
[0037] 自谐振反馈网络模块1用于产生驱动信号，对辅助开关管Shelp进行驱动。
[0038] 本实施方式中，辅助开关管Shelp为NM0S管;被测主开关管Smain为PM0S管;所述的辅 助开关管Shelp也可采用PM0S管实现，被测主开关管Smain也可采用为NM0S管；
[0039] 自谐振反馈网络模块1可W在辅助开关管Shelp的栅极产生类似正弦波的电压，用 W驱动辅助开关管Shelp。
[0040] 所述的电源Vgate、电感Lf、辅助开关管Shelp和自谐振反馈网络模块IW及负载Smain 构成Class Φ逆变器。
[0041] 为了防止栅极的静电放电，现在的制造商往往会在MOSFET的栅极和源极之间加入 一个保护二极管，运就导致栅极电压不能低于-0.5V，同时也限制了开关管的口驱动电路的 选择，因为一般的LC电路在栅极只能提供正弦电压。所W本发明借助于新的逆变器结构，即 ClassO逆变器。
[0042] 对于ClassO逆变器结构，当在辅助开关管Sheip的栅极输入正弦波驱动时，辅助开 关管Sheip的漏源极间能产生类似方波或梯形波形，此波形可W有效驱动MOSFET(即：被测主 开关官Smain)。
[0043] 因此，将上述自谐振反馈网络模块1引入ClassO逆变器中，在辅助开关管Sheip的 漏源极能产生类似梯形波的波形，且对逆变器整体并无明显的影响，运个波形可W驱动 MOSFET管（即：被测主开关管Smain)。稳态时辅助开关管Shelp漏源极电压峰值约为输入电压 Vgate的两倍，运相较于传统的ClassE逆变器(3.6倍输入电压）等结构而言可^有效地降低 开关应力。
【具体实施方式】 [0044] 二:参见图2说明本实施方式，本实施方式与一所述的 采用自谐振网络的MOSFET高频驱动器的区别在于，所述的自谐振反馈网络模块1包括电感 Lt、电容Cb和电感Lr ;
[0045] 电感Lt的一端作为自谐振反馈网络模块1的电源正极，电感Lt的一端同时与电感Lf 的另一端和辅助开关管Shelp的漏极连接，电感Lt的另一端与电容Cb的一端连接，电容Cb的另 一端同时与电感Lr的一端和电容Cb的一端连接；
[0046] 电容Cb的另一端作为自谐振反馈网络模块1的电源负极，
[0047] 电感Lr的另一端作为自谐振反馈网络模块1的电压信号输出端。
[0048] 本实施方式，根据戴维宁等效原理对自谐振反馈网络模块1进行等效，其中主要是 对WVds_help为输入，C点为输出，包含阻抗ZfJb部分的一端口网络进行等效。具体参见图4和 图5。图5中该电路主要对WVds_heip为输入，C点为输出，包含阻抗Zf、Zb部分的一端口网络进 行等效;Vf为等效后的电压源;Zf为等效后的阻抗。只考虑交流成分，令输入电压Vgate = 0， 且：
[0049] 2。=幻|向（公式1)，
[0050] 则有；
[0化1 ]
[0055] 其中，Vf表示戴维宁等效后的电压源，Vds_help表示辅助开关管Shelp漏源极电压， Vgs_help表示辅助开关管Shelp栅源极电压，j为虚数单位，ω表示角频率，Cgs_help表示辅助开关 管Shelp栅源间寄生电容，Z康示中间变量。
[0056] 为了自谐振反馈网络模块1能够产生自激振荡，辅助开关管Shelp的栅极和漏源电 压间须存在-180°的相位差及20地的增益。设计中需要分别考虑交流和直流情况。在运里， 考虑一种简化设计的方法:让Cgs_help/ZT提供-180°的相位差，因此Ζτ必须呈感性，而在工作 频率下Zf与Zf+Zr+Zg需要呈阻性，所W有Zb为感性，Zf为阻性，Zr中应存在电感与Cgs_heip谐振 使得Zg呈阻性。理论上Zr中可W包含电阻，但是为了减少元器件数量，本发明采用不加电阻 的电路形式。
[0057] 除了交流部分W外，还需要考虑直流量的影响。因为辅助开关管化elp的直流电压 等于直流源的大小，所W辅助开关管Shelp可能被强制关断。因此我们在Ζτ中串联一个电容 Cb。运个电容Cb不能太大W至于幻在fs处的值有很大的改变。且出于体积的考虑，Cb也应该被 优化到一个较小的值。加入电容Cb后，C点的电压会上升，可W保证辅助开关管Shelp有效导 通。另外在试验中，尽量保证谐振网络部分直流源源电压低于M0SFET(即：被测主开关管 Smain )开启电压。
【具体实施方式】 [0058] Ξ:参见图3说明本实施方式，本实施方式与二所述的 采用自谐振网络的M0SFET高频驱动器的区别在于，所述的自谐振反馈网络模块1还包括电 感 Lst，
[0化9 ] 电感Lst的一端与电感Lf的一端连接，电感Lst的另一端同时与电感Lr的一端、电容 Cb的另一端和电容Cb的一端连接。
[0060] 本实施方式，本发明为了保证在轻载时仍然保持较高的效率，在辅助开关管Shelp 的栅极和直流电压源Vgate之间加入一个电感Lst, W使得变换器能迅速达到稳态。
[0061] 参见图8,自谐振反馈网络模块1的拓扑和参数，当Vgate = 0时，可W求出的 传递函数。令：
[0064]则有；
[0077]其中，曰、6、(：、(1、6均为中间变量，￥83*6表示驱动器输入电压〇为虚数单位，帖3表示 电容Cgs_heip的寄生电阻，馬i表示电感Lr的寄生参数，a、b、C、d、e均为中间变量，上式中考虑 除了图8中已有的元器件参数外，还考虑了电感Lr及电容Cgs_help的寄生电阻值，分别为馬，和 Regs。电感品质因数Q值取70，电容品质因数Q值取3000。结合所设计参数，利用MATLAB仿真， 可W绘出伯德图，如图6。从图6中可W看出，运种拓扑结构在20MHz附近可W谐振，且因为峰 值处相角为0°或者360°，不会产生其他的谐振。
[007引验证试验：
[0079] 针对本发明提出的自谐振反馈网络模块1拓扑结构，设计了一个占空比约为0.5、 频率为20MHz的谐振驱动网络并进行验证。
[0080] 为了验证M0SFET高频驱动部分的正确性，需要借助于完整的含M0SFET的主电路。 本发明借助已经设计好的拓扑结构进行验证，该电路主要由逆变电路、匹配网络环节与谐 振整流环节构成，如图9所示。主电路中，被测主开关管Smain的作用是在其漏极产生一个半 波正弦波，如图7中Vds_main所示。主电路的参数如表1所示，其中Vin表示主电路输入直流电 压，Cf表示逆变电路中与主开关管Smain并联的外加电容，Cs表示谐振匹配网路电容，Ls表示 谐振匹配网络电感，k表示整流部分电感，Cr表示整流部分电容，Dl表示整流部分二极管，C。 表示输出稳压电容，Rload表示纯电阻负载。
[0081] 表1验证电路主电路相关参数
[0082]
[0083] 自谐振驱动网络采用本发明所提出的拓扑结构。本例中，被测主开关管Smain和辅 助开关管Shelp均选用Si7454孤P型M0SFET，开关管参数如下表2:
[0084] 表 2Si7454孤P 型 M0SFET 参数表
[0085]
[0086] 表2中，Cgd表示M0S管栅极与漏极间电容，Cgs表示M0S管栅极与源极间电容，Cds表示 M0S管漏极与源极间电容，Rg表示M0S管栅极电阻，V化表示M0S管开启电压。
[0087] 根据W上分析求出20MHz谐振网络部分的参数，如表3。
[0088] 注意，电感和电容的寄生参数在本设计案例的原理图中均未给出，但在Pspice和 MTLAB仿真中对运些参数进行了适当的考虑。运里，取电感的品质因数为70,电容品质因数 3000。仿真得到的结果如图6所示，其中辅助开关管Shelp栅极产生类似正弦波的谐振波形， 漏源极波形可W有效驱动，频率为20MHz，占空比约为0.5，可有效驱动被测主开关管Smain， 且辅助开关管Shelp漏源极电压幅值约为输入电压的两倍左右，降低了开关管的应力。此外， 图6中还给出了主电路中逆变电路的输出电压，与理论值相符。
[0089] 表3驱动电路的主要器件参数
[0090]
[0091] 本发明W20MHz、0.5占空比的驱动网络设计为例，验证了本发明所述的采用自谐 振网络的M0SFET高频驱动器的正确性。实际应用中可W通过相关参数的调整获得不依赖于 主开关管的驱动波形，是一种较为理想的高频驱动电路。
【主权项】
1. 采用自谐振网络的MOSFET高频驱动器，其特征在于，它包括电感Lf、辅助开关管Shelp 和自谐振反馈网络模块(1);所述的辅助开关管Sh^SMOS管； 所述的电感Lf的一端用于与输入电源Vgate的正极连接，电感Lf的另一端同时与自谐振 反馈网络模块(1)的电源正极和辅助开关管Sh(3lp的漏极连接， 自谐振反馈网络模块（1)的电源负极同时与输入电源Vgate的负极和辅助开关管3_的 源极连接，自谐振反馈网络模块(1)的电压信号输出端与辅助开关管Sh(3lp的栅极连接， 辅助开关管Sh(3lp的漏极用于与被测主开关管Smain的栅极连接， 辅助开关管ShA的源极用于与被测主开关管Smain的源极连接， 所述的被测主开关管Smain为M0S管， 自谐振反馈网络模块(1 )用于产生驱动信号，对辅助开关管ShA进行驱动。2. 根据权利要求1所述的采用自谐振网络的M0SFET高频驱动器，其特征在于，所述的自 谐振反馈网络模块(1)包括电感Lt、电容Cb和电感Lr ; 电感LT的一端作为自谐振反馈网络模块（1)的电源正极，电感LT的一端同时与电感Lf的 另一端和辅助开关管Sheip的漏极连接，电感Lt的另一端与电容Cb的一端连接，电容Cb的另一 端同时与电感Lr的一端和电容Cb的一端连接； 电容CB的另一端作为自谐振反馈网络模块(1)的电源负极， 电感Lr的另一端作为自谐振反馈网络模块(1)的电压信号输出端。3. 根据权利要求2所述的采用自谐振网络的M0SFET高频驱动器，其特征在于，所述的自 谐振反馈网络模块(1)还包括电感L st， 电感Lst的一端与电感Lf的一端连接，电感Lst的另一端同时与电感Lr的一端、电容Cb的另 一端和电容Cb的一端连接。
【文档编号】H02M3/338GK106059321SQ201610393544
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】王懿杰, 管乐诗, 卞晴, 张相军, 徐殿国
【申请人】哈尔滨工业大学