CN1423418A - 半正弦波谐振激励电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尤其以高频实现大占空因数范围运行,而不产生功率损耗的半正弦波激励电路。谐振电路通过电容与一个开关器件相连,从而通过谐振电路再利用开关器件的栅极电荷,实现大占空因数范围。因此,根据方波输入信号产生半正弦波激励信号。在占空因数范围内,工作时的激励幅值不变。

Description

半正弦波谐振激励电路
技术领域
本发明一般地涉及功率电子器件，更具体地说，本发明涉及用于MOS栅控(gated)功率电子器件的激励电路。
背景技术
所构造的金属氧化物半导体(MOS)器件具有电压控制栅极。在工作过程中，通过对栅极施加偏置(即：电压)来接通这些器件。在这些器件中，栅极与其它电极(例如：金属氧化硅场效应晶体管内的源极和漏极)形成电容，为了要接通和断开这些器件需要对其进行充电和放电(即：将电荷注入栅极或从栅极提取电荷)。在确定这些器件的工作要求时，利用偏置电压倍增的电荷表示“接通”和“断开”能量。
在许多功率半导体应用中，该器件通常必须与其它器件结合交替接通和断开，从而形成功率变换电路。需要提高这种电路的工作频率(即：开关速度)，从而允许利用更小型、廉价的有关无源部件实现这些电路。然而，如果提高工作频率，则栅极激励电路所需功率也成正比提高(即：功率等于能量乘以频率)。
特别是对于栅极激励电路，通常或者独立使用半桥式电路，或者将半桥式电路用作功率MOS激励器集成电路(IC)的一部分。在使用这种桥式电路时，由电压源通过该激励器的输出电阻、该受控器件的栅极扩散电阻以及任何附加串行电组对栅极进行充电和放电。因此，电荷正向和反向通过此电阻(即：产生电阻的器件)会产生功率损耗。应该注意，在该激励器接通和断开时，电荷流动，因此该激励器不必饱和，从而产生比所提供的该激励器的“充分接通”值高的电阻。降低该电阻无助于降低损耗，因为这样只能使相同电荷流动得更快。
最近几年，因为MOS技术上的优势，所以MOS栅控功率器件已经在许多应用中代替了双极器件。例如，MOS栅控功率器件没有静态(即直流)激励功率消耗。在这种器件中，一些交流功率损耗是可以接受的，并且在频率达到几百千赫兹(KHz)时，与电路内的其它功率损耗相比，这种损耗不明显。
随着频率的升高，问题产生了。特别是，在开关损耗升高时，功率耗散也升高。为了试图解决这些问题，越来越多地在功率变换电路中实现0电压、0电流和谐振开关技术。这些电路通常再循环或再利用接通或断开器件输出电容所需的能量，从而降低器件的功率耗散并提高总体效率。
例如，诸如图1和图2所示MOS激励电路的已知器件在栅控电路中采用高Q(即：品质因数，它是系统内的耗散量的反映)谐振电路以“吸收”栅电容并产生正弦栅压。实质上是设置滤波器电路(即：图1所示单元件高Q调谐电路和图2所示的四元件滤波器电路)以产生正弦波信号。具体地说，在典型半桥式配置中，将栅极激励变压器插在谐振电路与栅极之间，并且以这样的方式定相该变压器，即以相反相位激励每个器件。正确接通和断开与该谐振电路相连的激励器件可以消除大部分激励器损耗。然而，只能提供非常有限的占空因数(duty cycle)(即：50％或约50％)。
全正弦波谐振驱动电路通过改变幅值对占空因数提供有限控制，但是这样会影响波形的穿过点和受激器件的阈值电压。在工作过程中，为了显著降低占空因数而降低激励电压会导致在栅极阈值之后出现低幅值，并因此导致不饱和。
因此，已知MOS驱动电路只能实现非常有限的有效占空因数工作过程，它大致比穿过0点与栅极阈值电压之间的延迟少50％。降低幅值会降低占空因数，但是也会延长开关时间并降低“峰值接通偏置”。这样会提高“直流接通”损耗。
总之，能尽快断开受控器件最好。随着频率的升高，开关周期的更大部分用于开关过渡过程，因此需要更短的导通时间，该导通时间比已知电路可以实现的导通时间要短。
因此，需要一种其激励电路可以在更大占空因数范围内(即：约25％至约50％)有效工作(即：没有功率损耗，或者是额定功率损耗)的系统，特别是，需要一种以高频在此大范围内激励栅控功率器件(例如：MOS器件)的系统。这种系统需要以此高频、无需将原始幅值降低到不可接受程度来控制占空因数。
发明内容
本发明一般地提供了一种单独调节幅值和占空因数，再循环或再利用接通和断开激励器件(例如：MOS栅控功率器件)的输入电容所涉及的能量的半正弦波激励电路以及提供这种半正弦波激励电路的方法。因此，尤其对于高频工作过程(即：高于几百KHz)，降低了器件的功率耗散并提高了总体效率。在工作过程中，本发明可以以高开关频率实现约25％至约50％的占空因数而不产生器件功率损耗。
具体地说，用于功率器件(例如：MOS栅控功率器件)的激励电路包括：开关装置，其在大占空因数范围内实现有效工作；以及栅极激励装置，用于根据方波输入信号，产生半正弦波输出信号，用作开关装置的激励电压以产生大占空因数范围。该栅极激励装置包括通过电容与开关装置的栅极相连的谐振电路。
该开关装置可以是晶体管，栅极激励装置对该晶体管的栅极提供半正弦波输出信号。谐振电路适于被配置在输入信号的工作频率与约其2倍工作频率之间，从而实现约50％至约25％之间的占空因数。谐振电路的激励电感和电容实际上适于被配置以根据激励频率控制占空因数。谐振电路的激励电感可以包括变压器，并且在此结构中，该激励电感适于被配置以实现约50％至约75％占空因数。
进一步设置直流偏置装置以控制该电路的直流电平。例如，谐振电路可以包括通过电容与开关装置的栅极相连的E类单端谐振电路。该激励器件可以包括提供输入信号的硬性(hard)开关，例如逻辑门。由于在此输入端需要较低功率，所以该逻辑门产生功率损耗和功率耗散不太大。
在另一个实施例中，根据本发明的谐振激励电路在高工作频率下提供改进的独立幅值和占空因数控制而不产生功率损耗，该谐振激励电路包括被接通和断开以实现约25％至约50％的占空因数的MOS受控器件(例如：晶体管)。还包括通过电容与MOS受控器件的栅极相连的谐振激励电路，该谐振激励电路根据方波输入信号提供半正弦波输出信号用于激励MOS受控器件。该谐振激励电路适于在输入信号确定的工作频率与约其2倍工作频率之间工作从而接通和断开MOS受控器件。
对谐振激励电路的激励电感和电容进行配置以实现约25％至约50％的占空因数。设置直流偏置以控制半正弦波信号的直流电平。谐振电路可以包括提供激励电感的变压器。可以包括硬性开关输入器件。
一种在高工作频率下对幅值和激励电路的占空因数进行控制又不产生功率损耗的方法，该方法包括步骤：接受周期性输入信号；利用通过电容与开关装置相连的谐振电路，根据方波输入信号产生半正弦波输出信号；以及对该谐振电路进行配置从而以约25％至50％的占空因数运行。还对谐振电路提供直流配置。
该方法进一步包括通过谐振电路再利用被接通和断开的开关器件的栅极电荷。使用与谐振电路相连的变压器增加隔离或倒置激励波形以实现50％至75％占空因数的工作过程。
因此，本发明提供了一种可以在高频下在大占空因数范围(即：约25％至约50％)内工作而不产生功率损耗的谐振激励电路和提供该谐振激励电路的方法。通过调节谐振电路内的各部件，可以实现正确占空因数，从而激励诸如MOS栅控功率器件之类的开关器件。
根据以下提供的详细说明，本发明的其它可应用领域将变得更加明显。显然，说明本发明优选实施例的详细说明和特定实例仅具有说明性意义，而不是用于限制本发明的范围。
附图说明
根据详细说明和附图，本发明将变得更容易被充分理解，附图包括：
图1是典型全正弦波激励电路的原理图；
图2是另一个典型全正弦波激励电路的原理图；
图3是根据本发明原理构造的半正弦波激励电路的原理图；
图4是具有直流偏置的、图3所示半正弦波激励电路的原理图；
图5(a)和5(b)是示出图3和图4所示半正弦波激励电路产生的正弦波信号的曲线图；
图6(a)至6(c)是示出根据本发明的半正弦波激励电路产生的激励电压的曲线图；
图7是具有变压器耦合的、根据本发明的半正弦波激励电路的另一种构造的原理图；以及
图8是实现以13.56MHz工作的、根据本发明半正弦波激励电路的原理图。
具体实施方式
对优选实施例所做的以下描述仅是说明性的，而不是为了限制本发明、本发明应用或用途。因此，尽管在此公开的本发明应用通常涉及具有特定配置、用于激励特定器件的谐振激励电路，但是本发明应用并不局限于此，根据本发明，还可以提供用于激励不同器件的其它配置。
在图1和图2所示的典型谐振激励电路中，在此通常用标号20表示该谐振激励电路，设置全正弦波谐振激励电路，例如，与MOS器件一起使用。特别是，与串联谐振电路24相连的变压器根据方波电压输入信号提供正弦波输出。该正弦波输出用于控制开关器件26，如图所示，开关器件26是绝缘栅场效应晶体管，通常将它设置为半桥式配置。应该注意，也可以根据特定应用和激励要求，采用其它类型的晶体管。
将各开关器件26的输出组合在一起送到输出网络变压器等。实质上是提供变压器耦合推挽工作过程，并且可以应用于例如功率变换应用中。应该注意，也可以是其它配置，例如，包括并联。在工作过程中，通过改变“空载时间”的时长或者通过改变断开一个开关器件与接通另一个开关器件之间的过渡时间可以改变图1和图2所示激励电路20的占空因数，所以为了改变图1和图2所示激励电路20的占空因数，必须降低每个开关器件的输入信号的幅值。这样会产生不可接受的工作电压，从而导致受激器件不正常工作，特别是对于高工作频率(即：大于100KHz)。
在描述了因为功率问题，特别是在高频时具有有限控制占空因数的典型全正弦波激励电路后，本发明一般地提供了一种其占空因数控制范围更大、无需更低幅值(即：功率损耗)具有高工作频率的半正弦波谐振激励电路。在工作过程中，将半正弦波输出送到一个开关器件用于控制该受激器件(例如：MOS栅控功率器件)的工作过程。
特别是，参考根据本发明原理配置的半正弦波激励电路的一种典型结构，图3示出这种激励电路，在此通常用标号30表示这种激励电路。如图所示，E类单端谐振电路32通过电容与功率开关器件36(例如：绝缘栅场效应晶体管)的栅极34相连。
在工作过程中，通常将方波电压信号输入38送到激励开关元件(Q1)40(例如：晶体管)，根据本发明的激励电路30在功率开关器件36的栅极端34产生正半正弦波信号42。该正半正弦波信号42的周期与由激励电感(即：电感器L)44、电容(即：电容器C)46、耦合电容(即：电容器CBL)48以及受激栅电容(即：电容器Cgs)50确定的谐振频率成正比。基于方波电压信号输入38频率，在约工作谐振频率与约其2倍工作谐振频率之间提供正半正弦波信号，从而实现约50％至约25％之间的占空因数。此典型结构中的激励开关器件(Q1)40处于正常0电压E类开关情况，因此没有开关损耗。所有栅电荷在栅极端34与积聚在供电去耦电容器(Cd)41内的激励电源之间被再利用。
由于栅极端34通过电容与谐振电路32相连，所以正电压/秒与负电压/秒将出现平衡，从而产生某个负断开偏置。为了平衡负断开偏置，附加辅助直流偏置电压，从而使正交流振幅增加到最大。例如，如图4所示，电阻(即：电阻器R)52被设置用于连接任何直流偏置或者使泄漏电流接地。如图5(a)所示，在电路的直流电平因为电容耦合而不确定时，激励电路30产生的半正弦波信号42可能具有负分量54。如果附加适当电阻52(即：用于补偿负断开偏置)，则可以减小或实际上消除负分量54以产生如图5(b)所示的半正弦波信号42’。
通常利用已知方式以约50∶50占空因数激励激励开关器件(Q1)40。然而，在工作过程中，这样不能使激励开关器件(Q1)40的输出以50∶50接通和断开。如图6(a)至6(c)所示，在电压降低到0之后的周期中，如位于56的t1所示，激励开关器件(Q1)40反向导通，从而使谐振能量返回积聚在Cd 41内的激励开关器件(Q1)40电源(supply)。因此，只需在此能量全部恢复之前的某个点接通激励开关器件(Q1)40。
在图7所示的半正弦波激励电路30’的另一结构中，可以配置激励电感44作为变压器58以在激励开关器件(Q1)40与输出器件之间增加隔离。该结构还可以对占空因数通常在约50％与约75％之间的负半正弦波信号进行相位变换。作为一种选择，还可以采用具有相反极性的激励开关器件(Q1)40。
作为根据本发明原理构造的半正弦波激励电路30的另一个特定例子，并且为了更清楚地说明具有特定工作特性的这种电路，图8示出为了以13.56MHz频率工作而构造的半正弦波激励电路30”。如图所示，电感器(L1)60通过690pF电容器64与STP10NB20晶体管62的栅极66的电容谐振以产生约18MHz(即：约38％的占空因数)的半正弦脉冲。通过构成分压器的1K电阻器68和4K7 70对栅极66施加直流偏置。
通过47K电阻器72，直流干线开始供电。积聚在47uF电容器74内的电荷开始激励过程，直到输出振幅达到足以通过电感器(L2)76上的两个绕线线圈和1DQ06二极管78进行供电的幅值。流入电感器(L2)76的电流有助于接通和断开STP10NB20 62的输出电容。在IRF510s晶体管80的栅电容不与输入端的电感器(L3)84发生谐振(resonate out)情况下，利用变压器(T1)82，采用正弦波信号反相激励IRF510s晶体管80。
因此，通过提供足够小的占空因数使得有足够时间对输出电容进行充电/放电、从而实现有效接通和断开，本发明提供了一种具有独立幅值，实现在更大占空因数范围(即：约25％至约50％)内对其占空因数进行控制的半正弦波谐振激励电路。如上所述，本发明尤其适合以高频(例如：10+MHz)工作。例如，在大占空因数范围内工作尤其适合应用于在交替导通之间需要大空载时间以使桥式器件的输出电容循环的高频半桥式电路。应该注意，半桥式正弦波信号通常含有显著谐波，这样，为了可靠通过这些谐波，根据本发明设置的任何变压器均必须具有足够高频性能和带宽。
尽管根据以特定频率工作的特定部件部分对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此。例如，在根据本发明构造半正弦波激励电路30时，对于特定激励直流电压和激励器件振幅，可以对电感44、电容46以及电容48进行调节以获得要求的栅极34振幅。此外，激励器件还可以是任何一种MOS受控器件，例如：MOSFET，IGBT等。此外，激励器件还可以是受控MOS或双极MOS和包括用于实现反向导通的反向并联二极管。
对本发明所做的说明仅是示例性的，因此根据本发明原理的各种变化均属于本发明范围。这些变化属于权利要求所述本发明实质范围。

Claims (21)

1.一种提供改进的操作和占空因数控制的激励器件，该激励器件包括：
开关装置，用于根据激励信号以占空因数工作；以及
栅极激励装置，用于根据输入信号，产生半正弦波输出信号，用作开关装置的激励信号，该栅极激励装置具有与开关装置的栅极相连的谐振电路。
2.根据权利要求1所述的激励器件，其中开关装置包括晶体管，而栅极激励装置对该晶体管的栅极提供半正弦波输出信号。
3.根据权利要求1所述的激励器件，其中输入信号是方波，谐振电路适于被配置在方波输入信号的工作频率与约其2倍工作频率之间，从而实现约50％至约25％之间的占空因数。
4.根据权利要求3所述的激励器件，其中谐振电路包括适于被配置用以根据方波输入信号确定的激励频率对占空因数进行控制的激励电感和电容。
5.根据权利要求1所述的激励器件，其中谐振电路包括具有变压器的激励电感，并且该谐振电路适于被配置以实现约50％至约75％的占空因数。
6.根据权利要求1所述的激励器件，该激励器件进一步包括直流偏置装置。
7.根据权利要求1所述的激励器件，其中谐振电路包括通过电容与开关装置的栅极相连的E类单端谐振电路。
8.根据权利要求1所述的激励器件，其中开关装置是金属氧化物半导体。
9.根据权利要求3所述的激励器件，该激励器件进一步包括提供方波输入信号的硬性开关。
10.一种在高工作频率下提供改进的独立幅值和占空因数控制而不产生功率损耗的半正弦波激励电路，该半正弦波激励电路包括：
MOS受控器件，其被接通和断开以实现约25％至约50％的占空因数；以及
谐振激励电路，通过电容与MOS受控器件的栅极相连，根据周期性输入信号提供半正弦波输出信号用于激励MOS受控器件，并且该谐振激励电路适于在周期性输入信号的工作频率与约其2倍工作频率之间工作从而接通和断开MOS受控器件。
11.根据权利要求10所述的半正弦波激励电路，其中周期性输入信号是方波，谐振激励电路包括可以被一起配置用以实现约25％至约50％的占空因数的激励电感和电容。
12.根据权利要求10所述的半正弦波激励电路，该半正弦波激励电路进一步包括直流偏置装置。
13.根据权利要求10所述的半正弦波激励电路，其中谐振激励电路包括提供激励电感的变压器。
14.根据权利要求10所述的半正弦波激励电路，其中MOS受控器件是包括晶体管的开关器件。
15.根据权利要求10所述的半正弦波激励电路，该半正弦波激励电路在工作过程中适于以超过10MHz的频率实现约25％至约50％的占空因数。
16.根据权利要求11所述的半正弦波激励电路，该半正弦波激励电路进一步包括硬性开关输入器件，用于提供方波输入信号。
17.一种在高工作频率下对激励电路的占空因数进行控制又不产生功率损耗的方法，该方法包括步骤：
接受周期性输入信号；
利用通过电容与开关装置相连的谐振电路，根据周期性输入信号产生半正弦波输出信号；以及
配置谐振电路以提供半正弦波输出信号，从而以约25％至50％的占空因数运行开关装置。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括对谐振电路提供直流配置。
19.根据权利要求17所述的方法，其中周期性输入信号是方波。
20.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括利用与谐振电路相连的变压器增加隔离。
21.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括利用与谐振电路相连的变压器倒置激励波形以实现约50％至75％的占空因数。
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