TW200301618A - Half sine wave resonant drive circuit - Google Patents

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200301618 A7 B7 五、發明説明（4 發明領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明通常是關於電力電子裝置，且更特別是MO S閘 控電力電子裝置的驅動電路。 發明背景 金屬氧化半導體（MOS )裝置被建構具有壓控閘電 極。在操作上，這些裝置係由用偏壓（即，電壓）至閘電 極而打開。該閘極在需要被充電且放電以切換裝置的這些 裝置中提供電容量給其它電極（如，金屬氧化矽場效電晶 體的源極及汲極電極）。在決定操作這些裝置的需求中， 由偏壓倍增的電荷代表”打開”及”關閉”能量。 在許多電力半導體應用中，該裝置必需輪流地切換， 經常與其它裝置一起，以藉此形成電力轉換電路。想要增 加此電路的操作頻率（即，切換速度），該操作頻率允許 這些電路以更小且便宜有關的被動元件製作。然而，隨著 操作頻率的增加，由閘極驅動電路需要的電力成正比地增 加（即，電力等於能量乘頻率）。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 尤其關於閘極驅動電路，半橋接電路係獨立地或當作 電力MO S驅動積體電路（1C )的部分共同地使用。使用此 橋接式電路，閘極係經由驅動器的輸出阻抗，受控裝置的 閘極延伸阻抗以及任何經增加的串聯阻抗自電壓源充放 電。因此，經由此阻抗（即，裝置建立的阻抗）電荷的正 反向通過導致電力損耗。應要注意的是此電荷流動當作驅 動器切換，以致於驅動器將不需要係飽和的，藉此導致較 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210 X 297公釐） -5- 200301618 經濟部智慧財產苟員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（i 引號驅動器的”全開，，値高的阻抗。減少該阻抗當它恰使相 同的電荷更快速地流動時將無助於減少損耗。 近年來，MO S閘控電力裝置在許多應用已取代雙極裝 置而導致MO S技術的好處。例如，MO S閘控電力裝置沒有 靜態（即，D C )驅動電力消耗。在這些裝置中，一些AC 電力損耗是可接受的，且以直到數百千赫（KHz)的頻率， 比較電路中其它電力損耗，此損耗經常是微不足道的。 隨頻率增加而問題產生。特別是，切換式損耗也許增 加且切換式裝置的電力耗散也許也增加。想要檢討這些問 題，0電壓，0電流及共振切換式技術已被漸漸地製作在電 力轉換電路中。這些電路典型再循環或再利用切換裝置輸 出電容量所牽涉的能量，藉此減少裝置的電力浪費且增加 整個效率。 已知的裝置，如，例如，圖1及2所示的MO S裝置電 路，閘極電路中使用高Q (即，系統中浪費的測量之品質 因素）共振電路以”吸收”閘極電容量，且產生正弦閘極電 壓。基本上，濾波器電路（即，圖1的單元件高Q調諧電 路及圖2的四元件濾波電路）係供以產生正弦波信號。尤 其，在典型的半橋接組構中，閘極驅動變壓器係插於共振 電路及閘極之間，由於變壓器定相以致於各裝置係以反相 而驅動。連接至共振電路的驅動裝置的正確切換可消除大 部分的驅動損耗。然而，僅提供非常有限的工作週期（duty cycle )(即，在或大約50% )。 全正弦波共振驅動電路由改變振幅而提供工作週期有 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-6 - 200301618 A7 B7 五、發明説明（i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 限的控制，振幅影響受驅動裝置的臨界電壓及波型的交叉 點。在操作上，減少驅動電壓以顯著地減少將導致閘極臨 界通過的低振幅的工作週期，且因此，缺乏飽和。 所以，已知的MO S驅動電路僅提供非常有限有效的工 作週期操作，其基本上是少〇交叉及閘極臨界電壓間的延 遲5 0%。減少振幅將減少工作週期，但也加長切換時間且 減少”偏壓的尖峰”。這將增加”接通DC”損耗。 通常，想要儘快關掉受控裝置。隨著增加頻率，切換 周期的較大部分係需要切換過渡期，因此需要較可由已知 的電路達成還短的實施時間。 因此，有存在具有能夠在較大範圍的工作週期（即， 大約25%至大約50%)上有效地操作（即，電力上無或極 微損耗）的驅動電路的系統，且特別是，對以較高頻率在 此較大範圍上驅動閘控電力裝置（如，MO S裝置）的此系 統的需要。此系統需要在這些較高頻率中控制工作週期不 需要源極振幅的減少至不可接受的程度。 經濟部智慧財產咼員工消費合作社印製 發明節要 本發明通常提供半波驅動電路以及提供具有再循環或 再利用在切換受驅動裝置的輸入電容量所牽涉的能量的3： 作週期及振幅的獨立調整的半波驅動電路的方法。因此， 減少裝置的電力浪費且增加整個效率，特別在較高頻率操 作（即超過數百KHz )。在操作上本發明提供以較高的切 換頻率無裝置電力損耗大約25%及大約5〇%間（即，無切 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） "' -7- 200301618 A7 B7 五、發明説明（4 換損耗）的工作週期。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 尤其，與電力裝置（如，MOS受控電力裝置）一起使 用的驅動電路包括在較大的工作週期範圍上提供有效的操 作的切換機構，以及自方波輸入信號產生用作驅動電壓的 半正弦波輸出信號至切換機構以產生較大的工作週期範圍 的閘極驅動機構。閘極驅動機構包括電容地耦合至切換機 構的閘極的共振電路。 切換機構也許是電晶體，該電晶體具有提供半正弦輸 出信號至電晶體的閘極的閘極驅動機構。共振電路係適合 組構於輸入信號的操作頻率以及大約2倍操作頻率之間以 藉此提供大約50%及大約25%間的工作週期。基本上，共 振電路的電容器及驅動電感係適於被組構以根據驅動頻率 控制工作週期。共振電路的驅動電感也許包含變壓器，且 在此建構中，也許係適於被組構以提供大約50%及大約 75%間的工作週期。 經濟部智您財產馬員工消費合作社印製 DC偏壓機構進一步也許係供以控制電路的DC位準。 共振電路也許包含，例如，電容地耦合至切換機構的閘極 的等級E單端共振電路。硬式切換，如邏輯閘，也許被包 括作爲提供輸入信號。在此輸入需要相當低的電力導致電 力損耗，所以在邏輯聞不超過時浪費。 在另一實施例中，本發明以較高操作頻率提供改進的 獨立振幅及工作週期控制而無電力損耗的共振驅動電路包 括待切換的Μ 0 S受控裝置（如’電晶體）以提供大約2 5 % 及大約5 0%之間的工作週期。電容地耦合至MO S受控裝置 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -8 - 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 200301618 A7 B7__ 五、發明説明（3 的閘極的共振驅動電路也被包括且自方波輸入信號提供作 爲驅動MOS受控裝置的半正弦波輸出信號。共振驅動電路 係適於受驅動裝置（如，MO S閘控電力裝置）的操作頻率 以及大約2倍操作頻率間由輸入信號所定義的操作。 共振驅動電路的驅動電感及電容器被組構以提供大約 2 5%及大約50%間的工作週期。DC偏壓也許係供以控制半 正弦波信號的DC位準。共振電路也許包括提供驅動電應的 變壓器。硬式切換輸入裝置也許被包括作爲提供輸入信 號。 本發明以較高操作速度控制驅動電路的工作週期及振 幅而無損耗電力的方法包括接收方波輸入信號，使用電容 地耦合至切換裝置的共振電路自方波輸入信號產生半正弦 波輸出信號，以及組構共振電路以在大約25%及大約50% 間的工作週期操作。DC偏壓也許也係供至共振電路。 方法也許進一步包括經由共振電路再利用正被切換的 裝置的閘極充電。變壓器也許也係與共振電路一起用以對 於5 0至7 5%工作週期加隔離或顛倒波型。 因此，本發明提供共振驅動電路以及提供能夠以較高 頻率不經歷電力損耗在較大的工作週期範圍（即，自大約 2 5 %至大約50%)上操作共振驅動電路的方法。經由共振電 路內的配件的調整，適當的工作週期也許係供作驅動切換 裝置，如，例如，MO S閘控電力裝置。 本發明進一步的應用性範圍自以下提供的詳細說明將 變得明顯。應了解詳細說明及特定範例，同時表示發明的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------抑衣^------、玎-------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -* 9 - 200301618 A7 B7

五、發明説明（S 較佳實施例係想僅爲了示例而非想要限制發明的範圍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖形的簡要說明 自詳細說明及附圖將變得更加了解本發明，其中： 圖1是典型全正弦波驅動電路的槪圖； 圖2是另一典型全正弦波驅動電路的槪圖； 圖3是根據本發明的原理建構的半正弦波驅動電路的 槪圖； 圖4是以DC偏壓的圖3的半正弦波驅動電路的槪圖； 圖5 ( a )及5 ( b )是顯示由圖3及4的半正弦波驅動 電路產生的正弦波信號的圖。 圖6 ( a ) - 6 ( c )是顯示由本發明的半正弦波驅動電路 產生的驅動電壓的圖； 圖7是具有變壓器耦合的本發明半正弦波驅動電路的 另一建構的槪圖；以及 圖8是以1 3 . 5 6MHz提供操作的本發明的半正弦波驅動 電路的槪圖。 經濟部智慧財/S-^M工消費合作社印製 主要元件對照表 20 共振驅動電路 24 共振電路 26 切換裝置 3 0 半正弦波驅動電路 3 2 等級E單端共振電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） -10- 經濟部智慧財產苟Μ工消費合作社印製 200301618 A7 B7 五、發明説明（i 3 4 閘極 36 電力切換裝置 38 方波電壓信號輸入 40 驅動切換裝置 42 正半正弦波信號 44 驅動電感 4 6 電容器 48 耦合電容器 50 受驅動閘極電容器 4 1 供應解耦電容器 5 2 電阻 42’ 半正弦波信號 54 負配件 30? 半正弦波驅動電路 3 0 5 5 半正弦波驅動電路 58 變壓器 6 0 電感 62 電晶體 64 電容器 66 閘極 68 電阻 7 0 電阻 72 電阻 7 4 電容器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-11 - 200301618 經濟部智慈財產咼員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3 76 電感 7 8 二極體 8〇 電晶體 較佳實施例的詳細說明 下列較佳實施例的說明本質上僅是示範且決不想限制 發明，它的應用，或使用。因此，雖然如在此發表的本發 明的應用通常係針對具有用在驅動特殊裝置的特殊組構的 共振驅動電路，而它並不是如此限制，且根據本發明也許 提供驅動不同裝置的其它組構。 在如圖1及2所示的典型共振驅動電路，且其中通常 由參考數字20表示，全正弦波共振驅動電路係供作與，例 如’ MOS裝置一起使用。特別地，與共振電路24串聯組合 的變壓器根據方波電壓輸入信號提供正弦輸出。正弦輸出 係用以控制如所不典型是提供在半橋接組構的聞絕緣，場 效電晶體的切換裝置26。應要注意的是其它類型的電晶體 也許係根據特殊應用及驅動需求而製作。 切換裝置2 6的輸出係組合且供至輸出網路變壓器等 等。基本上，經耦合變壓器推拉操作（如，推拉放大器） 被提供’且也許被使用，例如，在電力轉換應用。應要注 思的是其它組構是可能的，包括，例如，並聯。在操作 上，爲了改變在圖1及2所示的驅動電路中的工作週 期，其係由改變關掉一切換裝置及打開另一切換裝置的，，截 止時間或過渡時間的長度完成。此也許導致不可接受的操 本纸張尺度適用巾ΐ財縣（CNS) M職（2]GX 297公優） ~~~-- -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

200301618 A7 B7 五、發明説明（3 作電壓，因此導致受驅動裝置不適當的操作，特別在較高 操作頻率（即，大於100 KHz )。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 已說明因爲電力問題有工作週期限制控制的典型全正 弦波驅動電路，特別在較高頻率，本發明通常提供具有工 作週期的控制的較大範圍而不需要較低振幅（即，電力的 損耗），包括以較高操作頻率，的半正弦波共振驅動電 路。在操作上，半正弦波輸出係供至單切換裝置以控制受 驅動裝置的操作（如，MOS受控電力裝置）。 特別地，且參考根據本發明的原理組構的半正弦波驅 動電路的一示範建構，此驅動電路係顯示在圖3中且通常 在此由參考數字3 0表示。如其中所示，等級E單端共振電 路3 2係電容地耦合至電力切換裝置3 6的閘極3 4 (如，經 閘絕緣場效電晶體）。 經濟部智£財產局員工消費合作社印製 通常，在操作上，方波電壓信號輸入3 8係與本發明的 驅動電路3 0在電力切換裝置3 6的閘極端子產生正半正弦 波信號4 2供至驅動切換裝置（Q 1 ) 4 0 (如，電晶體）。正 半正弦波信號4 2有正比於由驅動電感（電感L) 4 4，電容 器（電容器C) 46，耦合電容器（即，電容器CBL) 48以 及受驅動閘極電容器（即，電容器C g s ) 5 0定義的共振頻 率的周期。正半正弦波信號也許係根據方波電壓信號輸入 3 8供在大約操作共振頻率及大約2倍操作共振頻率之間以 藉此提供大約5 0 %及大約2 5 %間的工作週期。此示範建構 的驅動切換裝置（Q 1 ) 4 0經歷正常〇電壓切換等級E條 件’且因此經歷無切換損耗。所有閘極電荷係再利用於閘 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(]1〇Χ 297公釐） ' ~ -13- 200301618 A7 B7 五、發明説明（ίο 極端子3 4及儲存在供應解耦電容器（Cd ) 4 1的驅動供應 器之間。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由於電容地耦合至共振電路32的閘極端子34，正及負 伏特/秒將平衡，導致某些負關閉偏壓。額外的DC偏壓可 被加入以抵消負關閉偏壓以便最大化正AC晃動。例如，且 如圖4所示，電阻（即，電阻R ) 52也許係供作耦合任何 D C偏壓或群組漏電流。如圖5 ( a )所示，由驅動電路3 0 產生的半正弦波信號42也許有負配件54，隨著電路的DC 位準由於電容的耦合而未定。由於加了適當的電阻52 (即，補償負關閉偏壓），負配件54可被減少或實際地消 除以產生如圖5 ( b )所示的半正弦波信號42,。 經濟部智慧財產局K工消費合作社印製 驅動切換裝置（Q 1 ) 40典型地係以已知的方式用接近 5 0 : 5 0工作週期驅動。然而，在操作上，這不強迫驅動切 換裝置（Q1 ) 40輸出以50 : 5 0至切換。如圖6 ( a ) -6 (c )所示，在電壓已落在〇後的週期期間，在5 6當作t} 表示，驅動切換裝置（Q 1 ) 40顛倒做法，藉此傳回共振能 量至儲存在C (Η 1的驅動切換裝置（Q1 ) 40供應。因此， 對於驅動切換裝置（Q1) 4〇僅必需在恢復所有此能量前在 某點打開。 在如圖7所示的半正弦波驅動電路30,的另一建構中， 驅動電感44也許被組構作變壓器5 8以加隔離於驅動切換 裝置（Q 1 ) 40及輸出裝置之間。此建構也許也以負正弦波 信號對於典型大約5〇%及大約75%間的工作週期提供相反 轉。另外，也許使用具有反極的驅動切換裝置（Q 〇 40。 本纸浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） -14- 200301618 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（h 當作根據本發明的原理建構的半正弦波驅動電路3 0進 一步的特定範例，且更淸楚地顯示此具有特別操作特徵的 電路，圖8顯示以13.56 MHz作爲操作建構的半正弦波驅 動電路30’，。如其中所示，電感（L1 ) 60經由690pF電容 器64與STP10NB20電晶體62的閘極66的電容器共振以 產生接近18MHz (即，大約38%工作週期）半正弦脈衝。 DC偏壓係經由ικ電阻68及4K7 70應用至閘極66，形成 電位分割器。 啓動供應係經由47K電阻72自主DC軌抽出。儲存在 4 7nF電容器74的電荷開始驅動操作直到輸出晃動已建立足 夠的振幅以經由繞在電感（L2 ) 76及1DQ 06二極體78上 兩圏而供應電力。進入電感（L2 ) 76的電流促進切換 STP10NB20 62的輸出電容量。IRF510S電晶體80係由變壓 器（T 1 ) 82在逆相中正弦地驅動，隨著它們的閘極電容器 量在輸入由電感（L3 ) 84共振輸出。 因此，本發明由提供夠短的工作週期以允許足夠時間 作輸出電容充/放電而提供於較大工作週期範圍（即，大約 25%至大約5〇%)上具有獨立振幅及工作週期控制的半正弦 波驅動電路，藉此導致有效的切換。如在此所發表，發明 特別係適於在較高頻率（如，1 0 + ΜΗζ )操作。例如，以較 大範圍的工作週期的操作係特別地適用在高頻率半橋接電 路，其中重要的截止時間在另一建構中是需要的以循環橋 接裝置的輸出電容量。應要注意的是半正弦波信號通常包 含有效的諧波，且就其本身而論，與本發明一起設置的任 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 裝 . 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -15- 200301618 ΑΊ _____Β7 五、發明説明（fc 何變壓器必需有夠高的頻率效能及頻帶寬度以可靠地通過 這些諧波。 雖然本發明已與以特定頻率操作特定配件部分一起說 明。例如，在建構根據本發明的半正弦波驅動電路30中， 電感44，電容器46以及電容器48也許被調整以對於特另(J 驅動D C電壓及驅動裝置晃動獲得想要的閘極3 4晃動。進 一步，受驅動裝置也許是任何Μ Ο S受控裝置如Μ Ο S F E T， IGBT等等。因此，驅動裝置也許是受控或雙極的M〇s且 包括反平行二極體以提供顛倒的做法。 發明的說明在本質上僅是示範，因此不違背發明主旨 的變化係想要成爲在發明的範圍內。此變化將不視爲違背 申請發明的精神及範圍如申請專利範圍所申請的。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝.· -口 線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -16-

Claims (1)

1. 200301618 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 1 1. 一種提供改良的操作及工作週期的控制之驅動裝置’ 該驅動驅動包含： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據驅動信號提供工作週期操作的切換機構；以及 自輸入信號產生用作驅動電壓的半正弦波輸出信號至 切換機構的閘極驅動機構，該閘極驅動機構具有耦合至切 換機構的閘極的共振電路。 2. 根據申請專利範圍第1項的驅動裝置，其中切換機構 包含電晶體且閘極驅動機構提供半正弦波輸出信號至電晶 體的閘極。 ’ 3 .根據申請專利範圍第1項的驅動裝置，其中輸入信號 是方波且共振電路係適合組構於方波輸入信號的操作頻率 以及大約2倍操作頻率之間以藉此提供大約5 0%及大約 2 5 %間的工作週期。 4.根據申請專利範圍第3項的驅動裝置，其中共振電路 包含適合於組構以根據由方波輸入信號定義的驅動頻率控 制工作週期的驅動電感及電容器在一起。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 ·根據申請專利範圍第1項的驅動裝置，其中共振電路 包含具有變壓器的驅動電感且係適於組構以提供大約5 〇% 及大約75%間的工作週期。 6. 根據申請專利範圍第1項的驅動裝置，進一步包含直 流偏壓機構。 7. 根據申請專利範圍第]項的驅動裝置，其中共振電路 包含電容地耦合至切換機構的閘極的等級E單端共振電 路0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -17- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200301618 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 S.根據申請專利範圍第1項的驅動裝置，其中切換機構 是金屬氧化半導體。 9.根據申請專利範圍第3項的驅動裝置，進一步包含提 供方波輸入信號的硬式切換。 1 〇. —種以較高操作頻率提供經改進獨立的振幅及工作 週期控制而無電力損耗的半正弦波驅動電路，該半正弦波 驅動電路包含： 切換以提供大約25%及大約50%間的工作週期的金屬 氧化半導體受控裝置；以及 電容地耦合至金屬氧化半導體受控裝置的閘極的共振 驅動裝置作爲自周期輸入信號提供驅動MOS受控裝置的半 正弦波輸出信號且適於周期輸入信號的操作頻率及大約兩 倍操作頻率以藉此切換mos受控裝置。 11.根據申請專利範圍第1 0項的半正弦波驅動裝置，其 中周期輸入信號是方波且共振驅動電路包含可組構以提供 大約25%及大約5〇%間的工作週期的驅動電感及電容器在 一起。 1 2 .根據申請專利範圍第1 0項的半正弦波驅動裝置，進 一步包含直流偏壓機構。 1 3 .根據申請專利範圍第1 〇項的半正弦波驅動裝置，其 中共振驅動電路包含提供驅動電感的變壓器。 M.根據申請專利範圍第10項的半正弦波驅動裝置，其 中金屬氧化半導體受控裝置是包含電晶體的切換裝置。 I5.根據申請專利範圍第10項的半正弦波驅動裝置，適 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " "'" -18 - 裝 訂 - ~絲 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 200301618 ABICD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^、申請專利範圍 3 於以超過10 MHz的頻率在操作期間提供大約25%及大約 50%間的工作週期。 1 6.根據申請專利範圍第1 1項的半正弦波驅動裝置，進 一步包含提供方波輸入信號的硬式切換輸入裝置。 1 7. —種以較高的操作頻率控制驅動電路的工作週期而 無損耗電力的方法，該方法包含的步驟有： 接收周期輸入信號； 使用電容地耦合至切換裝置的共振電路自周期輸入信 號產生半正弦波輸出信號；以及 組構共振電路以提供半正弦波輸出信號以藉此在大約25% 及大約5〇%間的工作週期操作該切換裝置。 1S.根據申請專利範圍第17項的方法，進一步包含提供 直流偏壓至共振電路。 1 9.根據申請專利範圍第1 7項的方法，其中周期輸入信‘ 號是方波。 2 0.根據申請專利範圍第17項的方法，進一步包含與共 振電路一起使用變壓器以加隔離。 2 1 ·根據申請專利範圍第17項的方法，進一步包含與共 振電路一起使用變壓器以顛倒驅動波型以提供大約50及75% 間的工作週期。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 、1T i錄 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董） -19-