CN108886358B

CN108886358B - 用于驱动电负载的电路和方法

Info

Publication number: CN108886358B
Application number: CN201780018391.1A
Authority: CN
Inventors: 伊戈尔·斯皮内拉
Original assignee: Eggtronic Engineering SpA
Current assignee: Egger Electronic Engineering Co ltd
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: HK1257908A1; ITUA20161824A1; ES2778458T3; EP3430721B1; KR20180121528A; JP2019514319A; US10396773B2; DK3430721T3; EP3430721A1; US20190089342A1; KR102604619B1; JP6679750B2; WO2017158458A1; CN108886358A

Abstract

描述了用于驱动一个或多个电负载的电路及对应的方法，该电路包括电流波形发生器(110)和无源滤波器(150)。该无源滤波器(150)的输入连接到电流波形发生器(110)，输出连接到每个要驱动的电负载(105)，其中该无源滤波器(150)被调谐以用于生成由对输入的电流波形的一个或多个谐波的调节所产生的电流波形。

Description

用于驱动电负载的电路和方法

技术领域

本发明大致涉及用于驱动具有随时间变化的电流波形的一个或多个电阻性的、电容性的、电感性的或混合性的电负载的电路和方法。

背景技术

通常使用电压和/或电流的放大器电路来驱动具有随时间变化的电流波形的电负载，该放大器电路配置为用于将低功率频率转换为足够强大的信号以正确地为负载供电。

根据要被供电的负载的类型，这些电路可以实现特征在于具有优秀保真度但低能量效率的线性类型的接线图(例如，那些用于例如，放大声音信号的接线图)、非线性图(例如，那些基于SMOS级或使用能够放大数字信号的BJT对的那些非线性图)、基于D类放大器的图或通常基于变压器、LC谐振器或其他谐振电路(例如E类或F类放大器)的谐振图。

当负载是由有源开关(例如，MOSFET、IGBT、HEMT晶体管或具有相当大栅电容的其他器件)的栅构成时(其中栅寄生电阻和栅寄生电感通常加到该有源开关的栅)，驱动是尤其重要的部分。

具体地，当有源开关用于高频开关电路领域(其中开关本身通常用于饱和或截止区)时，驱动是特别地成问题的。

实际上，在低频率中，起作用的电流大致上是可以忽略的，因为有源开关通常具有微小的寄生电容(例如小于几nF或几百pF)，而在高频率时，电流一般可以达到几十安培，因而引起驱动困难。

除了所需的高电流之外，上述有源开关的驱动经常导致大致上不可避免的相当大的能量耗散。

实际上，对于开关的每个接通/关断周期，开关的栅电容被适当地加载/卸载，并具有如下能量损失：

其中Ed指示耗散的能量，C指示开关的寄生电容，寄生电容通常是非线性的并且随驱动电流的变化而减小，V指示器件的最大驱动电流。

这些损耗增加了栅电阻损耗，与栅电阻成比例，并且与加载/卸载栅所需的电流的有效RMS值的平方成比例，因此与栅电容的平方成比例。可以进行类似的考虑来考虑电容的总栅负载。

通常地，当驱动频率超过1Mhz时，功率器件的驱动电路(也称驱动器)中的损耗变得很大，该损耗是瓦特级别的，对于更大的频率或者如果使用了特别受到寄生现象影响的开关(例如，MOSFET)损耗可以高达几十或几百瓦特，这使得进一步增加工作频率基本上是不可能的，并且具有器件损坏的风险。

通过将有源开关使用到基于硅或异质半导体(例如，SiC)的RF场或基于能够减少栅电容的III-V半导体(例如，GaN)的HEMD，可以部分地解决该问题。

然而，这些半导体通常具有高成本的缺点和其他缺点，这使得它们的驱动困难。例如基于高电压SiC的有源开关需要高栅电压以被驱动，结果部分放弃了减小栅电容所获得的好处。基于III-V类异质结(例如，GaN)的HEMT器件具有需要负电压以被驱动的问题，如果没有通过求助于共源共栅或多级类型架构，这使得它们与现有的功率硬件架构很不兼容，特别是在开关接线图中。

在射频(RF)领域中采用的用于解决具有高栅电容的驱动问题的可能的方案在于对电感性的或谐振的接线图的使用，在这些接线图中栅驱动大致上用变压器或谐振电路(例如，E类或F类、或简单的LC谐振器)来实现。如果适当地确定尺寸，除了由于寄生现象引起的损耗之外，这种类型的电路具有不消耗栅寄生电容中累积的能量，但是能够在每个周期中重新利用该能量的优点。

在另一方面，这种类型的谐振图利用大致正弦波驱动负载，这在一些硬件中是有用的，例如对于其中效率不是关键的电路，但是这对于驱动开关电路领域中的有源开关是有害的，在有源开关中为了在接通/关断和关断/接通过渡步骤期间限制开关中的动态损耗，前沿的上升和下降时间必须尽可能快。

因此，使用正弦波来切换有源开关的接通和关断可以减少栅损耗，但极大地增加了功率电路的动态损耗，因为接通/关断转换和关断/接通转换的斜率通常不够陡峭以防止和/或最小化功率传输级中的电压和电流交越。

利用电流波驱动任何电容型负载时，特别是在其中两级电流用于器件接通和关断切换的系统(开关系统)中，特别是对于高功能频率，可能会遇到这些问题。

在逻辑电路(AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR类型等的逻辑门、存储器、缓冲器、更复杂或更不复杂的集成电路、微控制器、微处理器、CMOS传感器等)中也存在类似的问题，因为尽管每个栅的寄生电容特别小，但是在任何情况下，当前非常高的集成度导致具有基本上限制最大功能频率(如今大致上限制于几GHz)的总栅容量，并且极大地增加了微处理器、存储器、微控制器、传感器、有线逻辑、FPGA和任何其他数字器件的消耗。同步时钟、用于再生时钟以考虑最大数量的可驱动栅的缓冲器、PLL和逻辑门的所有驱动系统通常仅构成在现代数字系统中的损耗的约50％。

在电感负载的或电阻负载的高频电源中可能遇到模拟类型的问题。

因此，本发明的目的在于实现一种用于利用足以使负载正确工作的电流波形驱动具有电容性和/或电阻性和/或电感性行为的电负载的电路，从而基本上在减少了损耗的同时增加了相对于已知电路可能的最大驱动频率。

发明内容

本发明的实施例涉及用于驱动一个或多个电负载的电路，该电路至少包括：

电流波形(例如，在该电流波形中，主谐波的频率等于或大于Mhz(大约十或大约一百Mhz)，有时甚至大于1Ghz或几十或几百Ghz)发生器；和

无源滤波器，其输入连接到所述电流波形发生器，输出连接到每个要驱动的电负载，其中该无源滤波器被调谐以用于生成由对输入的电流波形的一个或多个谐波的调节所产生的电流波形。

通过调节电流波形的谐波意味着选择性地增加(放大)或减小(抑制)电流波形的特定谐波分量(谐波)的可能性。

以这种方式，可以有效地对驱动电负载的电流波形“成形”，使得基于要驱动的负载的特定需要，可以(在时域中)给出最合适的形状，以将损耗最小化和/或提高效率和驱动效果。

在本发明中，电负载基本上可以是任何类型的，例如电阻性的、电容性的、电感性的负载，或电阻性的、电容性的和电感性的负载的组合。

然而，本发明特别地适用于驱动以普遍的电容性分量为特征的负载，这些负载可以添加与寄生电阻和电感相关的其他效应。

在有效可驱动负载中，在本发明中，存在有源开关(例如以下类型的晶体管：BJT、MOSFET、IGBT、HBT、HEMT、MEMS、压电传感器和致动器、逻辑门、例如但不限于CMOS、缓冲器和时钟类型的装置)的驱动器端(例如，栅)。

借助于本发明可有效地驱动的其他负载是电动机、螺线管、天线、变压器和具有普遍电感性的行为的其他负载。

在本发明的一个方面中，电流波形发生器可以包括：

直流电流发生器；

开关电路，其能够将直流电流转换成电流波形。

利用该解决方案，可以有效地生成具有大谐波含量的电流波形，因此该电流波形可以被过滤，以便获得适合于要驱动的负载的各种要求的大范围的电流波形。

在本发明的进一步方面中，开关电路可以至少包括：

有源开关；和

驱动器，其用于生成能够切换所述有源开关接通和关断的电驱动器信号。

有源开关可以是晶体管(例如，BJT、MOT或IGBT晶体管)、固态继电器，MEMS开关、以及HEMT开关、HBT开关或其他开关。

在一些实施例中，开关电路可以包括：例如，半桥配置中的两个有源开关，或者全H桥配置中的四个有源开关。

在本发明的一个方面，开关电路可以包括电感，该电感串联地连接在直流电流发生器和有源开关之间，无源滤波器具有输入端，该输入端与插入在电感和有源开关之间的电节点相连。

以这种方式，电感大致上表现为近似直流电流的发生器，该发生器在有源开关接通期间加载，而在有源开关关断期间卸载并向下游的负载供电。

在本发明的进一步方面中，开关电路还可以包括电容，该电容与电感串联连接并与有源开关并联连接。

电感能够最大化开关电路的能量效率，保证了在有源开关的接通和/或关断期间，在连接电感和有源开关的节点上不存在高的电压和电流。

在本发明不同的方面，无源滤波器可以是谐振电抗性的滤波器，其包括电感器和电容器，电感器和电容器可以以离散元件形式以及以分布式元件形式(例如传输线)实现。

这个方面提供了用于实现无源滤波器的相对简单的解决方案，如果适当地配置和调谐，则该无源滤波器能够选择性地放大和/或抑制在输入中接收到的电流波形的一个或多个谐波。

对此，在本发明的一方面，无源滤波器可以被调谐，以便在输出提供具有方形/矩形形状或足够地类似于正形/矩形形状的电流波形。

例如，无源滤波器可以被调谐以完全或几乎完全地至少抑制输入电流波形中的二次谐波，更优选地，抑制最大可能数量的偶次谐波，并且用等于一次谐波的倍增系数的三分之一的放大系数来放大三次谐波，更优选地，用相应的放大系数来放大比一次谐波更高次的最大可能数量的奇次谐波，这些放大系数与一次谐波的放大系数的关系等于相应谐波的次数的倒数。作为示例的方式给出的该方案，在实践中能够以大致上方形的电流波形向负载供电，从而消除损耗或在任何情况下将损耗最小化。

该方案对于驱动开关电路中的有源开关特别有利，其目的是在接通/关断和关断/接通的步骤期间有效地限制开关中的动态损耗。

更详细地说，无源滤波器可以包括多个电模块(即，至少两个或多于两个)，每个电模块至少包括：

第一电分支，该第一电分支与电流波形发生器串联连接，并于其他电模块的第一电分支串联连接；

第二电分支，该第二电分支能够将第一电分支与参考电势(例如地)连接；

电容，该电容沿着第二电分支定位；和

电感，其能够沿着第二电分支与电容串联放置，或替代性地放置在第二电分支上游的第一电分支上。

这能够实现非常简单的、经济且易于调谐的无源滤波器，例如用于在输出中实现具有大致上方形波形的电流波形。

从该基本方案开始，可以为每个电模块提供进一步的电抗分量，目的是在滤波中引入更大的自由度，同时该滤波在设计步骤期间具有更复杂的电路调谐，使得能够在输出中提供更忠实地响应所请求的形式的电流波形。

在这个意义上，每个电模块可以包括定位在第二电分支上游的第一电分支上的额外的电容。每个电模块可以包括定位在第二电分支上游的第一电分支上的第一电感，以及沿着第二电分支与电容串联布置的第二电感。此外，每个电模块可以包括与每个电感并联连接的电容。

本发明的一方面，要驱动的电负载连接到定位在无源滤波器的第一电模块和第二电模块之间的电节点。

以这种方式，在到达负载的电流波形中，一次谐波之后的奇次谐波的相位与一次谐波的相位自动地同相，这对于利用方形/矩形波形驱动负载特别有用。

在本发明的进一步的方面，驱动电路可以进一步包括与无源滤波器的输出串联连接的可调节的电抗性负载。

本发明的这个方面赋予了双重优点：如果需要改变电流波形的形状，则能够适应无源滤波器的行为，并且，如果负载不是恒定的，还能够处理要驱动的负载的任何最终的变化，使得开关电流上游对具有足够稳定且恒定的阻抗的总体负载(要驱动的负载加上附加的电抗性负载)供电。

通常，该方面能够随负载的变化调节驱动电路，以便在所有功能条件下保证最大效率。

更具体地，可调节的电抗性负载可以包括彼此并联连接的多个电分支(即，至少两个电分支或多于两个电分支)，每个电分支将无源滤波器的输出与参考电势(例如，地)连接，并且每个电分支包括至少一个电抗以及与电抗串联连接的至少一个开关。

以这种方式，通过选择性地开启或关闭开关，可以基于需要调节电抗性负载的实体。

在本发明的进一步的方面中，驱动电路可以进一步包括：

隔离电容器，该隔离电容器串联地连接在无源滤波器的输出和要驱动的负载之间；和

第二直流电流发生器，该第二直流电流发生器连接到包括在隔离电容器和要驱动的负载之间的节点。

以这种方式，可以有效地在无源滤波器的输出中向电流波形添加或从电流波形中减去适当的直流电流，该直流电流可以用于增加施加到要驱动的负载的电力，或者非常简单地驱动需要负电流的负载(例如，基于III-V型异质结(GaN)的HEMT器件)，因为其足以将适当的负电流与从滤波器输出的波相加。

总的来说，该方案使得在无源滤波器的输入中产生的电流波形的电压和电流水平与有效用于驱动电负载的电流波形的电压和电流水平之间具有有效去耦。

在本发明的一方面中，电感可以串联地连接到第二直流电流发生器和要驱动的负载之间。

以这种方式，可以有效地防止由无源滤波器的输出中的驱动电路生成的波(通常为高频)与直流电流发生器的负相互作用。

在本发明的进一步的方面，该电路可以进一步包括第二隔离电容器，该第二隔离电容器串联地连接在电流波形发生器的参考电势(在无源滤波器的输入)和负载的参考电势之间。

以这种方式，在无源滤波器和驱动的负载之间存在电流去耦，从而可能具有对于无源滤波器和驱动的负载的质量参考和单独的电源供应。

本发明的进一步的实施例涉及用于驱动一个或多个电负载的方法，至少包括以下步骤：

生成电流波形；

过滤电流波形，以调节电流波形的一个或多个谐波；

将经过滤的电流波形施加到所述电负载。

本发明的这个实施例基本上获得与上述电路相同的优点，具体地，具有能够适当地对驱动电负载的电流波形“成形”的优点，使得基于要驱动的负载的特定需要，可以(在时域中)给出最合适的形状，以将损耗最小化和/或提高效率和驱动效果。

例如，在该方法中，过滤步骤可以在输出提供具有方形/矩形形状或至少足够地接近方形/矩形形状的电流波形。

前面描述的关于驱动电路的本发明的所有上述方面应理解为对于该方法也是有效的。

具体地，该方法可以包括电流波形的生成，包括例如，通过接通或关断连接到直流电流发生器的有源开关，转换电流波形中的直流电流的步骤。

该方法可以进一步包括将可调节的电抗性负载与无源滤波器串联连接，并与要驱动的负载并联连接，使得能够在所有功能条件下(包括在负载变化的情况下)保证最大效率。

该方法可以进一步包括以下步骤：在将经过滤的电流波形施加到要驱动的负载之前，将恒定的电流添加到经滤波的电流波形，使得能够将在无源滤波器的输入中生成的电流波形的电压和电流电平与有效地用于驱动电负载的电流波形的电压和电流电平去耦。

该方法还包括以下步骤：将无源滤波器与要驱动的负载电流地分离，使得能够将无源滤波器和驱动的负载的质量参考和电源供应分离。

附图说明

后续的描述将借助于附图中所示的图示，通过非限制性示例来进一步地揭示本发明的特征和优点。

图1和图2是根据本发明的两个实施例的驱动电路的总体图；

图3是说明了图1中要驱动的可能的电负载的示意图；

图4至图6是说明了图1中的可调节的电抗性负载的可能实施例的示意图；

图7至图12是说明了图1中的无源滤波器的六个可能实施例的示意图。

具体实施方式

附图说明了电路100，该电路100配置为利用随时间可变的电流波形来驱动一个或多个电负载105。

一般而言，电负载105基本上可以是任何类型的，例如电阻负载、电容负载或电阻负载、电容负载和电感负载的组合，这将在下文中更全面地描述。

驱动器电路100主要包括电流波形发生器，其整体用110来表示。

然而，在所阐释的示例中，发生器110包括直流发生器115，该直流发生器具有第一端和第二端，该第一端连接到适当的参考电势120(例如，地)，该第二端连接到开关电路(其整体由附图标记125表示)，该开关电路能够将由发生器115生成的直流电流转换成电流波形(即，转换成连续的电流脉冲，其中每个电流脉冲从最小值(例如但不是必须的大致上是零值)开始，变化成取决于输入中的直流电流的实体和开关电路125的类型以及电路125被驱动的方式的最大值)。

直流发生器可以是例如电池，但也可以是整流器(例如，二极管桥式整流器(其具有单二极管、双结合二极管)、同步整流器或其他整流器)，该整流器可以连接到交流源(例如，普通的230V和50Hz配电网)，以这种方式对源生成的交流电流进行整流。稳定滤波器可以直接存在于整流器的下游。在该第二种情况下，发生器115可以更适当地配置为AC/DC转换器。

开关电路125可以包括电感130(其通常被称为扼流圈或馈送电感)，该电感130连接到第二发生器端115。与电感130串联的开关电路125可以包括有源开关135(例如BJT、MOS、IGBT晶体管、继电器、固态继电器、MEMS、MEMT、HBT开关或其他开关)，该有源开关135具有第一端(例如，N型MOSFET的漏极)、第二端(例如，N型MOSFET的情况下的源极)和第三驱动端(例如，在FET型晶体管的情况下的栅极或在BJT型晶体管的情况下的基极)，该第一端连接到电感130的输出端，该第二端连接到发生器115的参考电势，该驱动端连接到信号发生器或驱动器140。驱动器140是电气/电子器件140，其可以与发生器115参考相同的参考电势120，或者可以是隔离的并与参考电流120相独立，并因此通过变压器、光耦合器、电容隔离、适当的放大级等连接，并且其能够向有源开关135的驱动端施加适当的电驱动器信号(例如，能够接通有源开关135(即，使其饱和)和关断有源开关135(即，使其截止)的具有预定占空比的方形/矩形波形)。

电抗(例如，电容145)可以连接到电感130和有源开关135之间的中间节点，其第二端连接到与发生器115相同的参考电势120。以这种方式，电容145与电感130串联连接，但与有源开关135并联连接。

可选地，发生器110可以是例如，基于经典的线性或开关放大图(例如，基于其中第二开关代替电感130的半桥式或完整的H桥式)的传统的交流电流发生器。

例如，图2说明了其中开关电路125是由半桥形成的方案，该半桥包括相互串联布置、并与直流发生器115串联的两个有源开关135A和135B，这两个有源开关以交替地接通或关断的方式由驱动器140驱动，即当有源开关135A接通时，有源开关135B关断，反之亦然。

在这种情况下，发生器110的输出节点以及有源开关135A和135B之间的中间节点也可以连接电容145，如前面所解释的那样。

驱动器电路100还包括无源滤波器，其整体由150表示，该无源滤波器包括输入端和输出端，该输出端连接到电感130和有源开关135(或有源开关135A和135B)所连接的中间节点，该输出端与要驱动的负载105串联连接。该无源滤波器150也可以具有第三端，该第三端连接到与发生器115相同的参考电势120。

无源滤波器150通常包括电抗性的、电容性的和电感性的部件，并且可以包括电阻元件。

在控制下可调节的可变电容或其他适当的电抗性负载155可被连接到无源滤波器150，该无源滤波器150具有与发生器115连接到相同参考电势120的第二端。

驱动电路100可以进一步包括隔离电容器160，该隔离电容器160串联地连接在无源滤波器150的输出和要驱动的负载105之间。以这种方式，该隔离电容器160将驱动电路100细分为初级电路(电容器160的上游)和次级电路(电容器160的下游)，该初级电路可以产生适当的电流波形，该次级电路与第一电容器电流地隔离，并能够将电流波形传输到负载105。

在这一方面，还可以存在第二隔离电容器165，其对于将初级电路从次级电路完全去耦是有用的，使得例如要驱动的负载105能够参考与发生器115的参考电势120不同的参考电势120’。例如，当在电源电路上存在高电流或电压值并且希望保存通常对过电压特别敏感的逻辑部分时，这是特别有用的。

如果存在第二隔离电容器165，该第二隔离电容器165将因此具有连接到发生器115的参考电势120的第一端和连接到负载105的参考电势120’的第二端。另一方面，当不存在第二隔离电容器165时，很明显，负载105的参考电势将必须与发生器115的电势一致。

在一些情况下，隔离电容器160/165可以是足够大的，从而不会显著地改变驱动负载105的波形，然而能够将在无源滤波器150的输出中生成的电流波形与次级电路上存在的独立电流相加。

可选地，隔离电容器160/165可以具有与电抗电路的其余部分显著地相互作用的尺寸。在给定性能的情况下，这种尺寸对于例如，最小化电路的体积是特别有用的。

驱动电路100的次级电路可以包括第二直流发生器170，该第二直流发生器170具有第一端和第二端，该第一端连接到要驱动的负载105的参考电势120’，该第二端连接到包括在隔离电容器160和负载105之间的电节点。

以这种方式，发生器170可以用于向由无源滤波器150下游的初级电路产生的电流增加或减去适当的直流电流。

为了防止通常工作在高频状态下的驱动电路100的初级电路与发生器170相互作用，包括串联地连接在发生器170和负载105之间，更具体地，连接在发生器170和包括在隔离电容器160和负载105之间的节点之间的电感器175是有用的。

该电感器175可以足够大以阻挡所有来自无源滤波器150的高频波。

功能

电感130和由驱动器140驱动的有源开关135构成的系统以开关模式工作，在时域中产生跨过无源滤波器150的电流波形。

实际上，在有源开关135接通期间，电感130加载，而在有源开关135关断期间，电感130不会加载到无源滤波器150上。因此，电感130在第一近似中表现为电流发生器，其具有随电感130的尺寸变化的纹波。强调的是，最小化电感130的尺寸是有用的，使其成为整体谐振系统的整体部分，例如，为了是系统的体积最小化的目标，或者为了增加构成电感130的导体的部分的目标，从而减小寄生损耗并增加系统的能量效率。

位于与有源开关135并联的电容145能够最大化开关电路125的能量效率，保证了在有源开关135的接通和/或关断期间，在同时连接电感130和有源开关135的节点上不存在高的电压和电流。在高频率下，电容145可能不是物理地存在的，而是用于相同的目的的开关135的寄生电容，因为其通常具有与电路的正确调谐所需要的电容相同的数量级。

然后由无源滤波器150适当地修改/调节由开关电路125生成的电流波形，使得负载105由在时域中具有预定波形的电流波形供电。

具体地，无源滤波器150可以是谐振电抗性的滤波器，包括适当地连接的电感器和电容器，这能够放大在输入中接收的电流波形的适当的谐波并抑制其他谐波，所有这些都随要供应给负载105的波形而变化。

换句话说，根据由开关电路125产生的波形，可以对无源滤波器150进行调谐，使得在输出中提供具有预定形式并且对应于驱动负载105的电流波形。

例如，如果期望利用方形/矩形波驱动负载105，无源滤波器150将被调谐，以放大信号的基频以及所有或许多奇次谐波，其中三次谐波的放大系数等于基频放大的1/3，五次谐波的放大系数等于基频的1/5，依此类推，以这种方式同时完全或几乎完全吸收所有或许多相等的谐波。

由滤波器150适当地调节的谐波的数量越大，输出波与期望波(例如，方形波)的相似性越好。

清楚地，通过修改输出的期望信号，因此需要修改无源滤波器150的调谐，具体地，通过调谐滤波器150以对输入信号进行放大或抑制，使得尽可能如实地在输出中再现期望的电流波形的频谱内容。

在任何情况下，即使为了本发明的目的而更容易和更方便地在零电压开关(ZVS)模式下操作，并且因此在接通/关断开关的步骤期间具有零电压，也可以在零电流开关(ZCS)模式或零电压开关(ZVS)模式中实现无源滤波器150的电抗分量的调谐。

在这种情况下，可调节的电抗性负载155可以消除两种可能的功能。如果需要改变负载105的驱动波形(例如，如果修改期望的占空比或者通常更多地是修改期望的波形)，第一功能是关于适配无源滤波器150的可能性。如果负载105不是恒定的，可调节电抗负载155的第二功能在于补偿负载105的最终变化的可能性，使得调用无源滤波器150来为具有足够稳定和恒定阻抗的负载供电。

总的来说，驱动电路100可以看作是谐振软开关放大器，相对于感兴趣的谐波，该谐振软开关放大器为每个谐波选择增益，从而使得这些谐波被适当地校准以获得期望的波形。并且驱动电路100可以看作是负载105上的非期望谐波的软开关衰减器。注意的是，对于不期望的谐波，驱动电路100具有高效率，因为无源滤波器表现为电抗性的短路，并因此能够吸收不期望的谐波，而不耗散能量，因此维持高效率。

驱动电路100区别于其他放大器(例如，D、E、F、E/F、E^-1、F^-1类的谐振放大器或其他类似电路)，因为无源滤波器150相对于基波向负载馈送更多的谐波，每个谐波被适当地放大或衰减，以便精确地获得与简单的正弦波不同的负载波形，这相反地构成了本电路的特定的情况，该特定情况是众所周知的容易且立即实现的。

具体地，无源滤波器150向要驱动的负载供应适当地放大或衰减的谐波，该谐波可用于构造期望的驱动信号，并同时保证可达到理论上的100％且可转化为大于90％的实际效率的能量效率。

在以下部分中，将提供关于驱动电路100的各种部件的进一步说明。

要驱动的负载

参见图3，要驱动的负载105可以是有源开关(例如，BJT、MOSFET、IGBT、HEMT、HBT晶体管的驱动端)、压电负载(例如，压电传感器或执行器)，或特征在于具有优势的和/或显著的电容分量的其他负载。

具体地，电负载可以是要利用高频信号(例如，对于RF类型的系统利用具有MHz、几十或几百MHz，或甚至GHz的基本频率的信号)驱动的MOS晶体管的驱动端、或者是要利用可能达到几十MHz或GHz的频率驱动HEMT型FET(例如GaN)的驱动端、或者是利用高于GHz的频率来驱动逻辑门的门。

在此背景下，上面描述的驱动电路能够显著地减少损耗并增加开关频率，而不会引起显著的问题。因此，驱动电路100可以有效地用于驱动高频电源开关的驱动端，并具有低的损耗。

例如，驱动电路100可以特别地用于有效地驱动基于二元半导体(例如，SiC)的、特征在于高阈值电流(甚至高于15V)的MOSFET，到目前为止该高阈值电流对于硅基的半导体非常不利。

实际上，驱动电路100能够利用方形波驱动MOS，该方形波具有大幅值、前沿的较短上升和下降时间、以及相对于RMS值较低的峰值电流，这同时保证了非常低的消耗和非常高的开关频率。

在其他实施例中，例如，在构成现代微型开关或微处理器计算系统(包括存储器、图形卡以及当今以CMOS技术实现的任何器件)的所有逻辑门的时钟同步的情况下(其中，提供有用于改善扇出的适当的缓冲器的时钟必须加载和卸载每个逻辑部件的逻辑门)，要驱动的负载105可以包括与晶体管数量相同的许多驱动端。

在所有的这些情况下，负载大致上是电容性的，并且在每个驱动周期(例如每个时钟周期)需要通过适当的驱动来加载和卸载每个单一晶体管的电容。通过利用上述驱动电路100执行该驱动，有利地，可以取消或在任何情况下显著地减少通常与该加载和卸载周期相关联的能量耗散。

实际上，由有源开关135、无源滤波器150和额外的电抗130、145、155的组件、以及由负载电抗105构成的系统构成具有多于一个频率的谐振系统，该谐振系统被调谐以在所关注的所有频率上以ZCS和/或ZVS模式工作，并且因此能够消除与负载105的加载和卸载周期相关联的损耗。一旦整个谐振电路被加载，实质上，对于期望的谐波，每个谐波从驱动电路到负载的能量存在连续的跳跃，对于在负载上不期望的谐波，在驱动电路的电抗性部件之间存在连续的跳跃，而不需要向电路供应除了在电阻性寄生元件上损失的能量之外的进一步的能量。清楚地，滤波器150必须设计成不仅使得对于每个必须到达负载的谐波，保证每个谐波的幅度是期望的幅度，还保证谐波的相位基于基波的相位是延迟的或适当地预期的，使得在负载105上保证整体期望的波形。

这种类型的非耗散功能与有源开关135的软开关驱动一起实现了非常高的能量节约和非常高的功能频率。

类似地，驱动电路100可以用于生成时钟，该时钟能够同步大数量的逻辑门(高扇出)并大致上使损耗为零，并因此减少用于将时钟信号再生超过特定数目的连接逻辑门的缓冲系统的需要，从而显著减少功率损失。因此，现代计算机、智能手机、平板电脑或任何其他具有时钟的电子设备(如今在这些电子设备中电容性的负载每秒被加载和卸载数百万次，电容性负载由构成系统的逻辑门的全部门构成)可以通过使用驱动电路100作为时钟而被改善，其目的是使这种类型的损失为零。

在该情况下，可调节的电抗性负载155可以有效地用于平衡在给定时刻有效的逻辑门的数量的正常可变性，使得总体上时钟生成系统看到大致上地恒定的、并且独立于在给定时刻有效的逻辑门的电容性的负载。

如果需要将驱动电路100与负载105隔离和/或修改用于使负载105极化的直流电流，可以在无源滤波器150的输出处串联地添加隔离电容器160和165以及电感175，尺寸具有足够大的值，以用于保证驱动谐波通过电容160和165的通道，并用于阻挡谐波经由电感175通向发生器170的通道。

该图能够向上游无源滤波器150产生的波例如，添加或去除适当的直流偏移，并且这对于将驱动电路与负载电流地去耦也是有用的。

例如，对于补偿连接到特定开关的接通/关断阈值，以及对于保证功率级的简单“使能”系统，以及对于防止负载上存在的高电流损坏驱动电路上的敏感部件，该图是特别有利的。

例如，在该驱动电路中可以使用负偏移，使得能够在开关模式中使用基于HEMT的开关(例如GaN类型或其他异质结类型的开关，其特征典型地为正常导通沟道并且需要发送负电流以截止)。

因此，提出的系统能够实现有效的驱动器或时钟系统，不仅用于基于硅半导体的逻辑开关或门，而且用于二元或三元半导体，例如SiC、GaN、GaAs、AlGaN、AlGaAs、InGaN、InGaP等。

然而，值得注意的是，驱动电路100可以有效地用于供应任何类型的负载(甚至是非电容性的负载，例如电感性的或电阻性的，例如电动机、螺线管、天线、变压器等)。

在所有的情况下(电容性的、电感性的或电阻性的负载)，驱动电路100可被调谐，包括调谐负载105的阻抗值，或者考虑负载105相对于电容145、无源滤波器150和可调节的电抗性负载155构成的虚构的负载是不重要的。

可调节的电抗性负载

参见图4，可调节的电抗性负载155可以包括相互并联连接的多个电分支180，每个电分支180具有第一端和第二端，该第一端连接到隔离电容器160(如果存在)上游的无源滤波器150的输出，该第二端连接到发生器115的参考电势120。沿着每个电分支180插入相应的电抗(例如，电容)，相应的开关190串联地定位在电抗185和参考电势之间。

开关190可以是有源开关(例如可能以CMOS、MEMS技术的MOSFET、BJT、继电器、固态继电器)或任何其他类型的开关。

以这种方式，通过接通一个或多个开关190，相应的电抗185与负载105并联。反之亦然，如果关断开关190，相应的电抗185是浮动的，并因此不会改变由在接通的开关190处的电抗185、负载105的电抗和无源滤波器150的电抗所构成的总电抗。因此，通过适当地变化接通和关断的开关190的数量而获得阻抗的总体调节。

强调的是，开关190可以相对于驱动开关135的信号(通常是高频)而完全独立地被驱动。

还期望强调的是，可调节的电抗性负载155甚至可以仅包括电分支180中的一个电分支(其中具有相关的电抗185和相关的开关190)，或者可以包括任何其他可调节的电抗(例如一个或多个可变的电容)。

例如，替代性的实施例在图5中说明，其中可调节的电抗性负载155的每个开关190(例如，上述用于包括/排除可调节的负载的电抗的MOSFET或BJT)可由与电抗185(例如电容)串联的二极管、并由连接到分支180的包括在电抗185和300之间的节点的电分支305替代。

利用该电分支305，可以在该中间节点中施加适当的数字信号。

以这种方式，如果数字信号带有足够低的电流，那么二极管300被截止，电抗185(例如，电容)从电抗性电路中排除，反之亦然；如果数字信号带有足够高的电流，那么二极管300被导通，因此补偿电抗介入系统的整体谐振。

在电分支305上，电阻310和电感315可以串联地布置，在该电分支310中，电阻310限制二极管300的极化电流，而电感315防止高频信号与二极管300的数字极化信号相互作用。

通过并联地使用多个这些电路，因此可以实现随数字驱动信号变化的可变电抗能够补偿主电路的负载或波形变化。

在图6中说明了进一步的替代性的实施例，其中可调节的电抗性负载155通过变容类型的二极管实现，这种变容类型的二极管具有高寄生电容，该寄生电容随施加到变容二极管的电流而变化。

例如，可调节的电抗性负载155可以包括两个串联连接的变容二极管320和直流电流发生器325，具体地通过将相应变容二极管320的阴极连接在一起，该直流电流发生器325能够将可调节的调谐电流施加到变容二极管320的阴极。

同样在这种情况下，为了防止发生器325与高频信号相互作用，电感330可以串联地插入在发生器325和变容二极管320的两个阴极的连接点之间。

以这种方式，电抗性电路大致上具有可变电容，该可变电容随施加到变容二极管320的阴极的DC电流而变化。

无源滤波器

如前面所解释的，无源滤波器150的目的是适当地放大由开关电路125生成的电流波形的确定谐波并且抑制其他谐波。为了做到这一点，无源滤波器150优选地是多谐振系统，电容性的和电感性的类型的适当的电抗串联和并联地放置并确定尺寸，以获得谐波相对于基频的正确的放大/抑制水平，这对于在输出中产生用于驱动负载105的期望的信号是有用的。

在这方面，如图7所示，无源滤波器150可以通过组成一系列模块195(即至少两个模块)来实现。

每个模块195可以包括第一电分支200，该第一电分支200与其他模块195的第一电分支200以及电流波形发生器110串联连接，在该示例中，该第一电分支连接到包括在电感130和有源开关135之间的电节点。

每个模块195可以进一步包括第二电分支205，该第二电分支205连接到相应的第一电分支200的输出端，并能够将第一电分支200连接到发生器115的参考电势120(例如地)。

根据如图7所示的实施例，输入电容210可以存在于每个模块195的第一电分支200上，随后是包括与电容220并联放置的电感215的并联LC谐振电路。同时，LC谐振电路可以存在于每个模块195的第二电分支205上，该第二电分支205包括电容225，接着是电感230。每个模块195还可以包括与串联LC谐振电路并联放置的额外的电容235。

可以连接到接着的模块195和/或待驱动负载105的每个模块195的输出节点由第一电分支200和第二电分支205之间的公共节点构成，在图4的示例中，输出节点在并联谐振器和串联谐振器之间。

强调的是，存在用于实现无源滤波器150的各种可能的电路实现和拓扑，所有这些都可以适当地确定尺寸，以达到所期望的相对于基频的一些谐波的放大和其他谐波的抑制的目标。

例如，先前阐释的模块195可以被适当地简化，同时仍然保证对系统的自由度，用于满足对各种谐波之间的放大关系的约束以及用于构造用于为负载105供电的期望波形。

根据在图8所示的实施例，只有并联LC谐振电路插入在每个模块195的第一电分支200上，该第一分支200包括与电容220并联放置的电感215，而只有电容225插入在每个模块195的第二电分支205上。

根据在图9所示的实施例，只有电感215被插入在每个模块195的第一电分支200上，而电容235插入在每个模块195的第二电分支205上，该电容235与串联LC谐振电路225并联，该串联LC谐振电流225包括电容，接着是电感230。

根据图10所示的实施例，只有电感215被插入在每个模块195的第一电分支200上，而只有串联LC谐振电路被插入在每个模块195的第二电分支205上，该串联的LC谐振电路包括电容225，接着是电感230。

根据图11所示的实施例，没有电抗性部件被插入在每个模块195的第一电分支200上，而只有串联LC谐振电路被插入在每个模块195的第二电分支205上，该串联的LC谐振电路包括电容225，接着是电感230。

在上述的所有示例中，要驱动的负载105可以连接到任意一个模块195的输出节点。具体地，要驱动的负载105可以连接到选择为使得每个谐波能够以相对于其他谐波的正确相位到达负载105的模块195的输出节点，以便构造期望的驱动信号。

例如，在利用(通过放大输入中的波形的基频和奇次谐波并且抑制相等的谐波来获得的)方形波形驱动电负载105的情况下，负载105可以有利地连接到第一模块195的输出节点，即连接到第一和第二模块之间，使得奇次谐波相对于基频自动地全部同相。

无论预先选择的图是哪一个，进一步优选的是，无源滤波器150总体上具有低寄生值，以便保持驱动电路100的高能量效率。出于该目的，例如可以使用具有低ESR(等效串联电阻)和低自放电的陶瓷电容器，以及在磁性材料(例如适用于高频的铁氧体，或者实际上被包封在空气中或非铁磁材料上的铁氧体)中具有低损耗的电感器。这是可能的，尤其是由于起作用的高频率能使得部件小型化，例如具有pF、几十pF、几百pF或最多几pF数量级的电容，以及几nH到最大几uH数量级的值的电感器。

如果适当地确定尺寸并调谐，所有的所提出的变形能够以高的效率(理想地没有损耗)和负载的非常高的驱动频率将期望的波形传输到要驱动的负载105上，同时能够执行负载105与驱动电路100的电流分离以及施加到负载的DC值的移位水平。

在图12所示的替代性的实施例中，无源滤波器150可以使用分布的电抗性部件来实现，例如通过传输线240来实现。

传输线240可以例如基于同轴电缆、微带线、平衡线(例如双绞线对)、四芯电缆、双导线、电导线或单电缆线或其他类型的(甚至是回环的)传输线的长度，用于获得适当的尺寸的无源滤波器150，以获得控制地放大和抑制每个谐波的目的。

传输线240实际上本身是可调制的元件，其至少包括与分布式电容并联分布的电感，并且因此能够针对无限频率值谐振，基本频率的倍数取决于传输线的几何和构造特性。

通过适当地连接一个或多个传输线240和可能的集中的适应电抗性负载，因此可以获得用于实现驱动电路100的期望滤波器。

显然，该领域的技术专家可以对上述驱动电路100和相关功能方法进行技术应用性质的修改，而不脱离如下所述的本发明的范围。

Claims

1.电路(100)，其至少包括：

要驱动的电负载(105)；

电流波形发生器(110)；和

无源滤波器(150)，其输入连接到所述电流波形发生器(110)，输出连接到所述要驱动的电负载(105)，其中所述无源滤波器(150)被调谐以用于生成由对输入的电流波形的一个或多个谐波的调节所产生的电流波形，

其中所述要驱动的电负载(105)包括有源开关的驱动端，并且

其中所述无源滤波器(150)是包括电感器和电容器的谐振电抗性的滤波器，

其特征在于，所述无源滤波器(150)被调谐以用于以倍增系数来放大所述电流波形的一次谐波，完全地或几乎完全地抑制二次谐波，并以等于所述一次谐波的倍增系数的三分之一的放大系数来放大三次谐波，

所述电流波形发生器(110)包括：

直流电流发生器(115)；

开关电路(125)，其能够将直流电流转换成电流波形；

所述开关电路(125)至少包括：

有源开关(135)；

驱动器(140)，其用于生成能够切换所述有源开关(135)接通和关断的电驱动器信号；

其中所述开关电路(125)还包括电感(130)，所述电感(130)串联地连接在所述直流电流发生器(115)和所述有源开关(135)之间，所述无源滤波器(150)具有输入端，所述输入端与插入在所述电感(130)和所述有源开关(135)之间的电节点相连；

其中所述无源滤波器(150)包括多个电模块(195)，所述电模块(195)至少包括第一电模块和第二电模块，其中所述第一电模块至少包括：

从所述输入端分支出的第一电分支(200)；

将所述第一电分支(200)的输出端与参考电势连接的第二电分支(205)；

包括在所述第二电分支(205)中的电容(225)；和

包括在所述第二电分支(205)中的电感(230)；

其中所述第二电模块至少包括：

连接到所述第一电模块的第一电分支(200)的输出端的第一电分支(200)；

将所述第二电模块的第一电分支(200)的输出端与参考电势连接的第二电分支(205)；

包括在所述第二电模块的第二电分支(205)中的电容(225)；和

包括在所述第二电模块的第二电分支(205)中的电感(230)。

2.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，所述第一电模块还包括：

包括在所述第一电分支(200)中的电感(215)；

所述第二电模块还包括：

包括在所述第二电模块的第一电分支(200)中的电感(215)。

3.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，每个电模块(195)包括第一电感(215)和第二电感(230)，所述第一电感(215)包括在所述第一电分支(200)中，所述第二电感(230)在所述第二电分支中与所述电容(225)串联布置。

4.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，每个电模块(195)包括与所述第一电分支(200)的所述电感(215)并联连接的电容(220)。

5.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，每个电模块(195)包括额外的电容(210)，所述额外的电容(210)包括在所述第一电分支(200)中。

6.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，所述要驱动的电负载 (105)连接到所述无源滤波器(150)的所述第一电模块(195)的所述第一电分支(200)的输出端。

7.根据权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，包括可调节的电抗性负载(155)，所述可调节的电抗性负载(155)连接到所述无源滤波器(150)的输出。

8.根据权利要求7所述的电路(100)，其特征在于，所述可调节的电抗性负载(155)包括至少一个电分支(180)，所述至少一个电分支(180)将所述无源滤波器(150)的输出连接到参考电势，并且所述至少一个电分支(180)包括至少一个电抗(185)和与所述电抗(185)串联的至少一个开关。

9.根据权利要求7所述的电路(100)，其特征在于，所述可调节的电抗性负载(155)包括至少一个电分支(180)，所述至少一个电分支(180)将所述无源滤波器(150)连接到参考电势，并且所述至少一个电分支(180)包括至少一个电抗(185)、至少一个二极管(300)和额外的电分支(305)，所述额外的电分支(305)连接到所述电分支(180)的包括在所述电抗(185)和所述二极管(300)之间的节点，数字信号施加到所述额外的电分支(305)。

10.根据权利要求9所述的电路(100)，其特征在于，电阻(310)和电感(315)串联地布置在所述额外的电分支(305)上。

11.根据权利要求7所述的电路(100)，其特征在于，所述可调节的电抗性负载(155)包括至少一个电分支(180)和直流电流发生器(325)，所述电分支(180)将所述无源滤波器(150)的输出连接到参考电势，并且所述电分支(180)包括位于所述电分支(180)上的两个变容二极管(320)，其中所述两个变容二极管(320)相应的阴极连接在一起，所述直流电流发生器用于将可调节的调谐电流施加到所述变容二极管(320)的阴极。