赵清林;郭娟伟;袁精;陈磊;崔少威
【摘 要】谐振门极驱动电路能够减小高频下MOSFET的驱动损耗.首先介绍了传统电压源驱动及其存在的诸多问题,引出谐振驱动技术.综述了目前现有的谐振门极驱动电路的拓扑结构,并分为电流源型、谐振型和耦合电感型三大类.对于电流源型和谐振型,分别介绍较早提出的拓扑结构及其优缺点,并与后期发展的各种拓扑作对比分析.耦合电感型是在电流源型或谐振型中加入耦合电感来传递能量,这也增加了拓扑的复杂度.考虑谐振门极驱动电路的复杂程度,将拓扑元器件集成到一个芯片中以达到优化. 【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2018(038)010
【总页数】9页(P66-73,107)
【关键词】高频变换器;MOSFET;栅极驱动;驱动损耗;谐振门极驱动
【作 者】赵清林;郭娟伟;袁精;陈磊;崔少威
【作者单位】燕山大学 电气工程学院 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学 电气工程学院 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学 电气工程学院 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学 电气工程学院 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学 电气工程学院 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
0 引言
现今微处理器的发展对供电电源提出了新的挑战，要求必须向着低电压、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，迫使小功率的功率变换器向着MHz发展。MOSFET普遍采用的是传统的电压源型驱动VSD(Voltage Sour
ce Driver)，随着开关频率的增加，驱动损耗也成比例地增加，会导致变换器的效率降低。因此，在高频下驱动损耗的大小对变换器的效率影响很大，特别是在低压大电流的小功率场合。 为提高变换器的效率，必须设法减小MOSFET的门极驱动损耗，谐振门极驱动就是有效途径之一。从20世纪90年代到现在，国内外学者已经提出许多谐振门极驱动方案，主要应用于频率超过1 MHz的功率变换器，来帮助减小MOSFET高频驱动损耗。这些方案都是利用谐振电感L和开关管输入电容C组成LC电路，通过在驱动电路加入辅助开关，使L和C进行能量的相互传递，来提供MOSFET门极驱动电流，控制开关管的开通和关断，同时将MOSFET的输入电容上储存的能量再次利用或者回馈给驱动电源，以达到减小驱动损耗的目的。这与传统的门极驱动电路完全不同，能减小高频时驱动损耗。
1 传统门极驱动电路
传统的门极驱动为电压源型驱动，如图1所示。图中，VDD为驱动电源电压；S1、S2分别为图腾柱结构上、下端辅助开关管； ig为传统门极驱动电路驱动电流；Vgs为MOSFET栅源电压。MOSFET开关过程等效为RC电路，驱动电流ig达到最大值VDD/Req，然后迅速
地减小。这导致有效的驱动电流大幅减小，减慢了Q的开关速度。同时没有能量回收，驱动电源提供的能量全部被消耗掉，属于耗能式驱动。
图1VSD电路的拓扑结构及工作波形Fig.1Topology and working waveforms of VSD circuit
总结传统门极驱动存在的问题：
a. 电压源经RC回路给MOSFET输入电容充放电，在开通和关断过程中，驱动电流衰减严重，开关速度受限，会增加开关损耗；
b. 传统驱动电路中存在较大阻抗，使栅极电压达不到驱动电源电压VDD，会引起开关管通态损耗增加，需要加大驱动电源电压值；
c. 传统驱动电路容易引起寄生电感和输入电容之间的振荡，增加驱动电阻值可以抑制振荡，但较大的驱动电阻会降低驱动速度；
d. 传统驱动电路没有低阻抗路径箝位，抗干扰能力较差，降低了开关电源的可靠性。
所以，传统的门极驱动不是最优的MOSFET驱动方法，尤其在高频领域，因而学者们提出
了谐振门极驱动技术。
2 谐振门极驱动电路
2.1 谐振门极驱动电路要求
谐振门极驱动电路拓扑的选择影响驱动损耗和开关损耗，可靠的拓扑有以下几个要求：①门极驱动电流要有初始化，可以提高MOSFET的开关速度，减小开关损耗；②电感电流尽量采用脉冲式状态，可有效减小驱动电路的导通损耗；③MOSFET开通/关断后，要有低阻抗路径箝位，增强抗干扰能力；④尽量采用结构简单的拓扑结构，减少有源器件的使用。
2.2 谐振门极驱动电路分类
本文将谐振门极驱动电路分为电流源型驱动CSD(Current Source Driver)、谐振型驱动RGD(Resonant Gate Driver)和应用耦合电感的谐振驱动RGDC(Resonant Gate Driver with Coupled inductance)3类。
CSD电路的工作原理是在开关管开关过程以近似恒流源形式给开关管输入电容充放电，充
放电电流的峰值与驱动电压、谐振电感有关，谐振电感电流又可以分为连续型和断续型，其简化模型及工作波形如图2所示。图中，iLr为谐振电感电流。
图2CSD电路的简化模型及波形Fig.2Simplified model and waveforms of CSD circuit
RGD电路的工作原理是利用外加谐振电感与开关管输入电容发生谐振，在开关期间，这个正弦波电流的周期与谐振电感有关，其简化模型及工作波形如图3所示。
图3RGD电路的简化模型及工作波形Fig.3Simplified model and waveforms of RGD circuit
RGDC电路是在CSD或者RGD电路中加入耦合电感，在一个开关管关断时通过耦合电感传递能量来驱动另一个开关管开通，可用于半桥和共源结构。
3 谐振门极驱动电路拓扑结构
3.1 CSD电路
文献[1-2]介绍了一种相对较早提出的电流连续的半桥结构CSD电路，称为CSD1。该电路要求有大的隔直电容Cb，且其初始电压为UCb≈DVDD，其中D为主功率开关管Q的占空比。
该电路的优点是：辅助开关S1、S2可以实现零电压开通；在电感电流峰值处驱动Q开关，合理控制峰值电流可提高开关速度，减小开关损耗；Q在导通和关断状态有低阻抗路径箝位，抗干扰能力强；Q开关过程中，线路寄生电感可被谐振电感吸收，避免发生不必要的振荡；结构简单，器件少，逻辑容易实现。缺点是：驱动电路中的电感电流连续，环流损耗大，且与电感电流正相关。该电路拓扑结构及工作波形如图4所示。
图4CSD1的拓扑结构及工作波形Fig.4Topology and working waveforms of CSD1
在图4所示拓扑的基础上，调整电感和辅助开关位置，引出图5所示拓扑[3]，称为CSD2。该电路的缺点是：在Q导通过程没有低阻抗路径箝位，线路寄生电感与输入电容可能发生谐振，引起栅源电压波动。该电路可使Q的栅源电压上升到驱动电压和隔直电容Cb两端初始电压之和。
图5CSD2的拓扑结构及工作波形Fig.5Topology and working waveforms of CSD2
在图4所示拓扑的基础上，增加2个辅助开关和1个自举电路，用于驱动半桥开关管[4-7]，称为CSD3。采用1个谐振电感同时驱动2个半桥结构的开关管，但是只能给2个开关管提供
相同的驱动电流，不利于开关损耗和驱动损耗优化。该电路拓扑结构及工作波形如图6所示。
图6CSD3的拓扑结构及工作波形Fig.6Topology and working waveforms of CSD3
在图4所示拓扑的基础上，增加2个辅助开关，可组成共用1个谐振电感的全桥结构的CSD电路，称为CSD4，如图7所示。当该电路用于驱动单个开关管时，通过控制4个辅助开关的逻辑不同，可以控制谐振电感电流为连续和断续2种状态，如图8所示。
图7CSD4的拓扑结构Fig.7Topology of CSD4
图8 连续和断续的电流波形Fig.8Working waveforms of continuous and discontinuous current
图9CSD5的拓扑结构Fig.9Topology of CSD5
对于连续型的状态[8-11]，同一桥臂辅助开关是互补导通，故其控制逻辑简单，电路的缺点依然是环流损耗大；对于断续型的状态[12-21]，电路克服了环流损耗大的缺点，但是需控制辅助开关S2和S4为窄脉冲，导致辅助开关逻辑控制相对于连续型更为复杂。
图7所示的CSD电路也可以同时驱动2个共源极开关管，称为CSD5，如图9所示。电路的工作波形与图8中电感电流连续型一致，只是在电流峰值处同时驱动一个开关管的开通和另一个开关管的关断。该电路的缺点是环流损耗大[22-24]。
在图9所示拓扑的基础上，增加2个辅助开关M1和M2来控制电感电流为断续[25-26]，称为CSD6。M1和M2是用来控制电感在Q关断之前预先充电。通过控制充电时间来控制电感电流的峰值，然后利用电感的峰值电流驱动开关管关断。该电路电感电流是脉冲式，可以有效减小环流损耗。缺点是：辅助开关较多，控制逻辑复杂，而且M1和M2驱动信号设计困难。该电路拓扑结构如图10所示。
图10CSD6的拓扑结构Fig.10Topology of CSD6
在图4所示拓扑的基础上，通过增加2个辅助开关M1和M2，引出一种电感电流断续的半桥结构CSD电路[27-33]，称为CSD7。该电路拓扑结构及工作波形如图11所示。
图11CSD7的拓扑结构及工作波形Fig.11Topology and working waveforms of CSD7
3.2 RGD电路
文献[34-38]介绍了一种相对较早提出的电流没有初始化的RGD电路，称为RGD1。该电路结构简单，可使Q的栅源电压大于驱动电压，采用肖特基二极管减小反向恢复，采用较小值的谐振电感提高Q的开关速度。该电路的优点是：辅助开关S1、S2可以实现零电压开通和零电流关断；电感电流是脉冲式，不存在环流损耗；在Q关断状态，栅源存在负压，能有效防止误开通；结构简单，器件少，逻辑容易实现。缺点是：Q在导通或关断状态没有低阻抗路径箝位，抗干扰能力弱；驱动电流从零开始谐振，驱动速度相对较慢，可能会增加开关损耗；栅源正负压难以确定具体值。该电路拓扑结构及工作波形如图12所示。
图12RGD1的拓扑结构及工作波形Fig.12Topology and working waveforms of RGD1
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