高频功率变换器及谐振门极驱动技术研究

摘要

半导体技术、微电子技术的飞速发展和广泛应用，为功率变换器向高频化、小型化、高功率密度、高可靠性方向发展，提供了技术上的可能性。然而，在工作频率(>1MHz)提高的同时，传统电压源型驱动(Voltage Source Driver，VSD)电路的驱动损耗和开关损耗也会成比例的增加，从而会降低高频功率变换器的效率。因而，为了解决传统VSD电路的这些问题，谐振型门极驱动技术(Resonant Gate Driver，RGD)被提出。谐振门极驱动电路利用LC谐振原理，回收功率开关管等效输入电容上储存的驱动能量，进而减小高频驱动损耗。
　　本论文首先介绍了MOSFET的基本知识，传统VSD电路的工作原理、各部分损耗的计算方法及VSD电路的缺点。
　　其次，将现有的谐振驱动电路分为电感电流连续和断续两类，并举例分析了这两类谐振驱动电路的特点。本文选用了三种谐振驱动电路进行研究，详细分析了这三种谐振驱动电路的工作原理、各部分损耗及计算方法，并用Pspice仿真软件验证了所用方法的可行性。其中一种谐振驱动电路是对原有方法改进后提出的，电路中应用了耦合电感，其电感电流断续，以恒流驱动功率MOSFET开通关断，可以更大程度地减小驱动损耗。为了设计出最优的谐振驱动电路，综合考虑谐振驱动电路的驱动损耗、功率开关管的开关损耗和其体二极管损耗之间的关系，对谐振电感进行了优化设计。用优化后的谐振电感值，求得三种谐振驱动电路的驱动损耗，并与传统VSD电路的驱动损耗进行对比。结果表明谐振驱动电路可以有效减小驱动损耗，提高高频功率变换器的效率。
　　最后，为了验证理论分析的正确性，本文以同步Buck为主电路，制作了三种谐振驱动电路和传统VSD电路的原理样机，并进行对比实验。完成了实验调试工作，并给出了实验结果和详细分析。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 谐振门极驱动电路的分类

1.4 本文主要研究的工作

1.5 本课题研究的意义

第2章 传统VSD电路和谐振驱动电路

2.1 前言

2.2 MOSFET的相关知识

2.3 传统VSD驱动

2.4 谐振型门极驱动

2.5 本章小结

第3章 基于同步Buck的谐振门极驱动电路研究

3.1 前言

3.2 电感电流连续的电流源型驱动电路(CSD1)

3.3 电感电流断续型谐振驱动电路(RGD2)

3.4 电流断续应用耦合电感的电流源型驱动电路(CSD8)

3.5 实验方案整体框图

3.6 谐振门极驱动芯片的概念

3.7 本章小结

第4章 谐振电感的优化和损耗分析

4.1 前言

4.2 CSD1电路的损耗分析和谐振电感优化

4.3 RGD2电路的损耗分析和谐振电感优化

4.4 CSD8电路的损耗分析和谐振电感优化

4.5 本章小节

第5章 实验结果与分析

5.1 前言

5.2 传统电压源型门极驱动电路的关键波形

5.3 本文所用三种谐振驱动电路的相关实验波形

5.4 谐振驱动与传统VSD驱动同步Buck变换器的效率对比

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢