專利名稱：自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率器件驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，電源向著高功率密度和高效率方向發(fā)展。傳統(tǒng)小功率變換器的工作頻率一般為幾百千赫，變換器被動(dòng)元件(如電容、電感)相對(duì)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，體積和重量較大，直接降低了變換器的功率密度。因此，變換器高頻化、高功率密度是低功率變換器的發(fā)展趨勢(shì)。作為連接信號(hào)電路和主功率電路之間的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路選擇的合理性和正確設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)變換器系統(tǒng)有著重要影響。圖1 (a)、(b)給出傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)(Voltage Source Drivers)方式，該驅(qū)動(dòng)方式存在兩點(diǎn)不足1)由于驅(qū)動(dòng)電路以RC方式充、放電，有效驅(qū)動(dòng)電流會(huì)隨著門極驅(qū)動(dòng)電壓的變化而減小，增加了開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，驅(qū)動(dòng)回路中的寄生電感(線路電感、封裝電感)更是會(huì)進(jìn)一步減小有效驅(qū)動(dòng)電流，增加開關(guān)時(shí)間和損耗；2) MOSFET門極電容上存儲(chǔ)的能量在開關(guān)過程中被消耗，這種驅(qū)動(dòng)損耗與開關(guān)頻率成正比。在高頻功率變換器中，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到IMHz以上時(shí)，主功率MOSFET開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗都會(huì)大幅增加，這時(shí)候使用傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)，不僅會(huì)降低效率，而且還造成熱點(diǎn)，降低功率系統(tǒng)可靠性。為了減小功率MOSFET高頻開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，電流源驅(qū)動(dòng)(Current Source Driver, CSD)被提出并應(yīng)用到高頻變換器中。圖2給出電流源驅(qū)動(dòng)的基本概念圖，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以減小電路驅(qū)動(dòng)損耗，而且可以減小開關(guān)損耗。同時(shí)由于恒流源的恒流特性，驅(qū)動(dòng)回路漏感被吸收，進(jìn)一步加快了功率MOSFET開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗，而開關(guān)損耗往往是高頻硬開關(guān)功率變換器主要頻率損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對(duì)前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提出一種自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其可減小高頻驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗，在寬負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)效率。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是
一種自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，包括電流源驅(qū)動(dòng)電路和電壓調(diào)節(jié)電路，所述電壓調(diào)節(jié)電路采集主電路反饋參數(shù)變化，得到參考電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流源驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)。上述電流源驅(qū)動(dòng)電路包括第一電容和第一電感，所述第一電感的一端連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間，另一端經(jīng)由第一電容連接第一功率管的漏極。上述電壓調(diào)節(jié)電路包括第一三極管、第二三極管、運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻和第三電阻，運(yùn)算放大器的輸入正端連接參考電壓，輸入負(fù)端經(jīng)由第二電阻輸出驅(qū)動(dòng)電壓，該輸入負(fù)端還經(jīng)由第三電阻接地；運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)由第一電阻連接第二三極管的基極，第二三極管的發(fā)射極輸出自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓，而集電極連接第一三極管的基極；第一三極管的發(fā)射極連接供電電壓，集電極連接驅(qū)動(dòng)電壓。
上述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第三功率管、第四功率管和第二電感，第三功率管的源極連接第四功率管的漏極，第四功率管的源極與第二功率管的源極共同接地，第三功率管的漏極與第一功率管的漏極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓；所述第二電感的一端連接在第三功率管的源極與第四功率管的漏極之間，另一端連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間。上述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第五功率管、第六功率管、第三電感和第二電容，第六功率管的漏極連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間，第六功率管的源極連接第五功率管的源極，第五功率管的漏極依次經(jīng)由第三電感、第二電容連接第一功率管的漏極。上述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第一、二二極管，所述第一二極管的陽極連接第一功率管的源極，陰極連接第二二極管的陽極，而第二二極管的陰極連接第二功率管的漏極。上述調(diào)節(jié)電路包括第七功率管、第八功率管和第三二極管，所述第三二極管的陰極輸出自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓，陽極與第七功率管的源極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓，而第七功率管的漏極連接第八功率管的漏極，第八功率管的源極接地。上述電流源驅(qū)動(dòng)電路包括第九、十、十一、十二功率管、第四電感和第四、五二極管，其中，第九功率管的漏極連接第十功率管的漏極，而第十功率管的源極接地；第四二極管的陽極與第九功率管的源極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓，陰極連接第十一功率管的源極，第十一功率管的漏極連接第五二極管的陽極，第五二極管的陰極連接第十二功率管的漏極，第十二功率管的源極與第十功率管的源極共同接地；所述第四電感的一端連接在第九功率管的漏極與第十功率管的漏極之間，另一端連接在第十一功率管的漏極與第五二極管的陽極之間。采用上述方案后，本發(fā)明通過提出自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，進(jìn)一步減小高頻驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗，在寬負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)效率。自適應(yīng)CSD驅(qū)動(dòng)概念的特點(diǎn)是可以在不同負(fù)載和工作條件下，驅(qū)動(dòng)電壓和電流能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在減小驅(qū)動(dòng)損耗同時(shí)，進(jìn)一步減小開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)寬負(fù)載范圍內(nèi)變換器效率優(yōu)化。CSD電路的基本思想是構(gòu)造恒定電流，對(duì)功率MOSFET門極輸入結(jié)電容快速充、放電，從而加快開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率MOSFET門極電容上驅(qū)動(dòng)能量的回收利用。基于上述的核心思想，根據(jù)CSD電路驅(qū)動(dòng)電流形式，CSD電路可以分類為電流連續(xù)型和斷續(xù)型。連續(xù)型CSD電路可由兩個(gè)MOSFET，通過互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，從而在驅(qū)動(dòng)電感里產(chǎn)生連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流波形。然而，在連續(xù)型驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)電感較大，在開關(guān)頻率IMHz時(shí)，大約為IuH 左右。相比于連續(xù)型CSD電路，斷續(xù)型CSD電路可以有效的減小驅(qū)動(dòng)電路中的環(huán)流損耗和驅(qū)動(dòng)電感大小。然而，為了產(chǎn)生斷續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，需要通過四個(gè)MOSFET來構(gòu)造電路，還需要更復(fù)雜的邏輯電路來產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制。一般來說，當(dāng)功率變換器工作在滿載狀態(tài)，其開關(guān)損耗和MOSFET管導(dǎo)通損耗是其主導(dǎo)損耗。相反，當(dāng)變換器工作在輕載狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)占有總損耗的一大部分。因此，在開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗三者之間找出最優(yōu)平衡對(duì)變換器的效率優(yōu)化十分重要。由于傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)電路和CSD電路的驅(qū)動(dòng)電壓一般為固定值，其有效驅(qū)動(dòng)電流是恒定的。 因此如何在電路不同工作狀態(tài)下優(yōu)化變換器效率，十分重要。
本發(fā)明所提供的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路可解決上述不足，其核心思想為可以在不同負(fù)載和工作條件下，電路驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在減小驅(qū)動(dòng)損耗同時(shí)， 進(jìn)一步減小開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)寬負(fù)載范圍內(nèi)變換器效率優(yōu)化，使變換器在寬負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。


圖1 (a)是傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)開通時(shí)的電路圖； 圖1 (b)是傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí)的電路圖2是傳統(tǒng)電流源驅(qū)動(dòng)的原理圖3是自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路的概念圖4是連續(xù)型半橋CSD電路圖5是連續(xù)型半橋CSD電路的工作波形圖6是基于線性電源的驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)電路圖7是通過參考電壓實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓的波形圖8是應(yīng)用于Boost電路的自適應(yīng)連續(xù)型CSD電路圖9是連續(xù)型全橋CSD電路圖10是連續(xù)型全橋CSD電路的工作波形圖11是應(yīng)用于單相Boost PFC電路的全橋CSD驅(qū)動(dòng)電路圖12是連續(xù)型全橋CSD電路應(yīng)用于兩相交錯(cuò)并聯(lián)PFC變換器的電路圖13是自適應(yīng)全橋CSD驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)應(yīng)用在高頻PFC的損耗對(duì)比圖14是斷續(xù)型半橋CSD電路圖15是斷續(xù)型半橋CSD電路的工作波形圖16是斷續(xù)型半橋CSD電路應(yīng)用于同步整流Buck變換器的電路圖17 (a)是MOSFET管在CSD驅(qū)動(dòng)下關(guān)斷時(shí)的等效電路圖17 (b)是CSD關(guān)斷且體二極管導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖18是斷續(xù)型全橋CSD電路圖19是斷續(xù)型半橋CSD電路圖20是斷續(xù)型CSD電路的主要波形圖21是斷續(xù)型CSD電路應(yīng)用在高頻Buck變換器的自適應(yīng)控制電路圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。圖3給出自適應(yīng)CSD驅(qū)動(dòng)概念圖。圖中受控源為驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流，其控制量可以為功率電路中的電壓、電流和頻率等。驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流可以根據(jù)電路實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明所提供的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)電流源(Current Source, CS)的電感電流情況，可分為CS電感電流連續(xù)型和斷續(xù)型。一.電流連續(xù)型驅(qū)動(dòng)電路
圖4給出連續(xù)型半橋CSD電路，其主要工作波形圖如圖5所示。
在[t1， t2]時(shí)段，功率MOSFET輸入門極電容被電感電流充電；在[ 3， 4]時(shí)段， 通過恒定電流放電。由于恒定電流充、放電，加快了功率MOSFET的開關(guān)速度，有效減小開關(guān)損耗。在功率MOSFET關(guān)斷期間，Lr電感電流iLr上升到最大值Ig ；功率MOSFET開通期間， Lr電感上的電流反向增加最大值_/,，通過驅(qū)動(dòng)開關(guān)管乂，功率MOSFET的柵極電壓被箝位在驅(qū)動(dòng)電源電壓I。最大的驅(qū)動(dòng)電流公式為
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于包括電流源驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)節(jié)電路，所述調(diào)節(jié)電路采集主電路的參數(shù)變化，得到反饋參考電壓，并向電流源驅(qū)動(dòng)電路輸出自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路包含第一、二功率管，第一功率管的源極連接第二功率管的漏極，第二功率管的源極接地。
3.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第一電容和第一電感，所述第一電感的一端連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間，另一端經(jīng)由第一電容連接第一功率管的漏極。
4.如權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述的電壓調(diào)節(jié)電路包括第一三極管、第二三極管、運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻和第三電阻，運(yùn)算放大器的輸入正端連接參考電壓，輸入負(fù)端經(jīng)由第二電阻輸出驅(qū)動(dòng)電壓，該輸入負(fù)端還經(jīng)由第三電阻接地；運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)由第一電阻連接第二三極管的基極，第二三極管的發(fā)射極輸出自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓，而集電極連接第一三極管的基極；第一三極管的發(fā)射極連接供電電壓， 集電極連接驅(qū)動(dòng)電壓。
5.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第三功率管、第四功率管和第二電感，第三功率管的源極連接第四功率管的漏極，第四功率管的源極與第二功率管的源極共同接地，第三功率管的漏極與第一功率管的漏極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓；所述第二電感的一端連接在第三功率管的源極與第四功率管的漏極之間， 另一端連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間。
6.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第五功率管、第六功率管、第三電感和第二電容，第六功率管的漏極連接在第一功率管的源極與第二功率管的漏極之間，第六功率管的源極連接第五功率管的源極，第五功率管的漏極依次經(jīng)由第三電感、第二電容連接第一功率管的漏極。
7.如權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路還包括第一、二二極管，所述第一二極管的陽極連接第一功率管的源極，陰極連接第二二極管的陽極，而第二二極管的陰極連接第二功率管的漏極。
8.如權(quán)利要求6或7所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述調(diào)節(jié)電路包括第七功率管、第八功率管和第三二極管，所述第三二極管的陰極輸出自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓，陽極與第七功率管的源極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓，而第七功率管的漏極連接第八功率管的漏極，第八功率管的源極接地。
9.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電流源驅(qū)動(dòng)電路包括第九、十、十一、十二功率管、第四電感和第四、五二極管，其中，第九功率管的漏極連接第十功率管的漏極，而第十功率管的源極接地；第四二極管的陽極與第九功率管的源極共同連接驅(qū)動(dòng)電壓，陰極連接第十一功率管的源極，第十一功率管的漏極連接第五二極管的陽極，第五二極管的陰極連接第十二功率管的漏極，第十二功率管的源極與第十功率管的源極共同接地；所述第四電感的一端連接在第九功率管的漏極與第十功率管的漏極之間，另一端連接在第十一功率管的漏極與第五二極管的陽極之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)電路，包括電流源驅(qū)動(dòng)電路和電壓調(diào)節(jié)電路，所述電壓調(diào)節(jié)電路通過采集主電路反饋參數(shù)變化，得到參考電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流源驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電流源驅(qū)動(dòng)。此種電路結(jié)構(gòu)可減小高頻驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗，在寬負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)效率。
文檔編號(hào)H02M1/08GK102280989SQ20111014322
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者張之梁, 胥鵬程, 蔡衛(wèi) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)