專利名稱：用于功率變換器的高效高頻諧振柵驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可用于驅(qū)動(dòng)氣體放電燈的功率變換器的諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路。
切換功率變換器的功率半導(dǎo)體器件中的寄生現(xiàn)象在射頻切換應(yīng)用中起著重要的作用。功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)，絕緣柵雙極型晶體管(IGNTs)和MOS控制晶體閘流管(McTs)具有寄生的柵電容。驅(qū)動(dòng)這些器件的通常方法是通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路加一個(gè)方波電壓給該柵極電路。將一個(gè)脈沖電壓加到該柵極電路的柵極使之導(dǎo)通。在導(dǎo)通期間，對(duì)該寄生的柵電容充電。在截止期間，存儲(chǔ)在該寄生柵電容中的電荷通過該驅(qū)動(dòng)器電路放電。在該柵電路功率器件的寄生柵電容中存儲(chǔ)的能量完全由該驅(qū)動(dòng)器電路消耗掉。對(duì)于低切換頻率操作，其能量損失和由于該寄生柵電容消耗的功率是微不足道的。然而，當(dāng)操作在高頻時(shí)，該能量損失能毀壞該柵驅(qū)動(dòng)器電路的IC(集成電路)。
可將總的柵電容損失(即消耗的功率)定義如下Pg=CiSSVc2fs對(duì)于切換頻率fs=3MHz，柵寄生輸入電容CiSS=2000PF，柵電壓Vc=12V，消耗的功率是0.86瓦。
這個(gè)顯著的損失將破壞該驅(qū)動(dòng)器電路IC。
本發(fā)明通過恢復(fù)在該柵電路的寄生電容中存儲(chǔ)的能量改善了柵驅(qū)動(dòng)器效率，解決了這個(gè)問題。對(duì)于諸如無極燈鎮(zhèn)流器，和高頻(例如大于1MHz)和高密度功率變換器等的射頻應(yīng)用，高效柵驅(qū)動(dòng)器操作對(duì)于功率系統(tǒng)的性能變得特別重要。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于高頻功率變換器的諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路采用該柵電路的寄生參量作為諧振元件的一部分，并提供正弦柵電壓波形，以便再循環(huán)在該柵電路的寄生參量中存儲(chǔ)的能量，以高效的操作導(dǎo)致了在能量損失中的顯著減少。這種發(fā)明的柵驅(qū)動(dòng)器電路對(duì)于通常方法的優(yōu)點(diǎn)是在柵驅(qū)動(dòng)器電路中特別低的功率消耗，和該諧振柵電路的功率切換器件的無損耗切換。
本發(fā)明的主要目的是提供一種用于高頻功率變換器的新的有效的柵驅(qū)動(dòng)器電路，特別適用于無極燈鎮(zhèn)流器和操作在兆赫和兆赫以上的高功率密度DC/DC,AC/DC和DC/AC變換器。
如上所述，用方波電壓加到以高頻操作的柵電路中的功率器件的柵極，由該柵驅(qū)動(dòng)器電路本身完全消耗了在該寄生柵輸入電容中存儲(chǔ)的總電荷，這將破壞該柵驅(qū)動(dòng)器電路的部件。為了減少在其中的損耗和改善該柵驅(qū)動(dòng)器電路的效率，通過提供部分地由該寄生輸入電容構(gòu)成的諧振電路來恢復(fù)在該柵電路的寄生輸入電容中存儲(chǔ)的能量。
在一個(gè)實(shí)施方案中，至少將一個(gè)分立的或外部的(即非寄生的)諧振電感器插入到柵驅(qū)動(dòng)器電路中以便形成具有該寄生輸入柵電容的諧振回路。在這種情況，在諸如MOSFET的該功率切換器件的截止期間，在它的輸入柵電容中存儲(chǔ)的能量將被傳送到該電感器，而在導(dǎo)通期間，在該諧振電感器中存儲(chǔ)的能量又將被傳送來對(duì)該功率切換器件的寄生輸入柵電容充電。因此，將在寄生柵輸入電容中存儲(chǔ)的能量每個(gè)切換周期進(jìn)行再循環(huán)，而不是由該柵驅(qū)動(dòng)器電路消耗掉。結(jié)果，可顯著地改善驅(qū)動(dòng)器電路效率。
最好將至少一個(gè)分立的或外部的(即非寄生的)電容也加到該回路中，以便消除由于例如器件之間的容限引起的該寄生輸入電容中的變化的影響。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的示意表示；圖2是本發(fā)明的另一實(shí)施方案的示意表示；圖3是本發(fā)明的又一實(shí)施方案的示意表示。
圖1表示用于半橋式變換器12的諧振柵電路驅(qū)動(dòng)器10的一個(gè)實(shí)施例。變換器12包括MOSFET功率開關(guān)SA和SB，連接到負(fù)載網(wǎng)絡(luò)14。該柵驅(qū)動(dòng)器電路10包括一個(gè)含有電感Lx、晶體管功率開關(guān)SA和SB的寄生柵輸入電容Cissa和Cissb的諧振回路，而外部的(分立的)電容Cxa和Cxb在隔離變壓器T的次級(jí)一側(cè)。該電感器Lx表示諧振電感器，包括該隔離變壓器T的漏電感和所加的(分立)電感。該外部電容Cxa和Cxb及寄生柵輸入電容CiSSa和CiSSb一起構(gòu)成該諧振電容。
其外部電容Cxa,Cxb的電容值分別比寄生柵輸入電容CiSSa,CiSSb的電容值大得多，以便消除由于例如器件的容限產(chǎn)生的柵輸入電容變化的影響。該隔離變壓器T的兩個(gè)次級(jí)線圈N2和N3是彼此異相的，將它們的輸出電壓用于驅(qū)動(dòng)在半橋式裝置中的功率開關(guān)SA,SB。
在驅(qū)動(dòng)器電路10中的晶體管開關(guān)S1工作在零電壓切換模式。當(dāng)開關(guān)S1截止時(shí)因?yàn)閷⒋蟮碾娙軨s與開關(guān)S1并行相加，漏-源電壓的變化速率很低。被開關(guān)S1消耗的功率很低。信號(hào)產(chǎn)生器IC18提供對(duì)開關(guān)S1的高頻控制信號(hào)。通過在IC18中的定時(shí)電阻可很容易調(diào)節(jié)該切換頻率。因?yàn)殚_關(guān)S1的電流和電壓的額定值是比較小的，故與驅(qū)動(dòng)開關(guān)S1相聯(lián)系的功率損失可以忽略。通過使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)方案，與通常的方波驅(qū)動(dòng)方法相比在該柵驅(qū)動(dòng)器電路中的損失可減少大約50％。
采用IC3875信號(hào)產(chǎn)生器18,MTP3n50(Motorola 3A/500V)功率MOSFETs SA,SB,VN106n3S1開關(guān)，和Lx=2.7uh,Cxa,Cxb=1.5uF，和Cs=1.5uF的回路值，在2.65MHz,85瓦和165瓦的無極燈鎮(zhèn)流器中成功地實(shí)施了該諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路10。也可將該諧振柵驅(qū)動(dòng)器10用在任何高頻高密度功率變換器中。
圖2表示諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路的另一實(shí)施方案10a，其中外部諧振電容Cxa和Cxb連接初級(jí)一側(cè)。圖3表示另一個(gè)對(duì)于單開關(guān)應(yīng)用的諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路的實(shí)施方案10b。隔離變壓器T’只有一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)該單功率開關(guān)S的次級(jí)線圈，該單功率開關(guān)S供任何適合的功率變換器20使用。
與通常的方波驅(qū)動(dòng)方法相比，采用IC信號(hào)產(chǎn)生器(控制器)的所有3個(gè)實(shí)施方案提供了損失減少大約50％的高效諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路。該柵驅(qū)動(dòng)器電路10,10a和10b使得功率變換器能以高于1MHz的切換頻率進(jìn)行工作。并可減小變換器的尺寸和體積?？筛纳乒β拭芏群蜏囟瓤刂?。
對(duì)于無極燈鎮(zhèn)流器的應(yīng)用，通常將調(diào)諧電感用于手動(dòng)調(diào)節(jié)該切換頻率，以便匹配該燈驅(qū)動(dòng)電路。通過采用本發(fā)明的諧振柵驅(qū)動(dòng)器電路，可將該IC信號(hào)產(chǎn)生器用于調(diào)節(jié)該切換頻率，以便匹配該燈驅(qū)動(dòng)電路?？沙ピ撌謩?dòng)調(diào)諧電感。
前面的具體實(shí)施方案是本發(fā)明實(shí)施的說明。然而，應(yīng)理解，可采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的或這里所公開的其它方法，而并不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于切換電路(12,12a)的驅(qū)動(dòng)器電路(10)，該切換電路具有含寄生輸入電容的至少一個(gè)功率切換器件(SA,SB,S)，該驅(qū)動(dòng)器電路(10)包括信號(hào)產(chǎn)生器(18)，提供高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第一切換器件(S1)，連接到該信號(hào)產(chǎn)生器，用于接收高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)該至少一個(gè)功率切換器件(SA,SB,S)；諧振電路(Lx,Cx)連接到該第一切換器件和該至少一個(gè)功率切換器件，包括作為其一部分的該至少一個(gè)功率切換器件的寄生輸入電容其中在該至少一個(gè)功率切換器件的截止期間，該諧振電路傳送來自該寄生輸入電容的能量，而在該至少一個(gè)功率切換器件的導(dǎo)通期間，將能量傳送到該至少一個(gè)切換器件。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該諧振電路包括至少一個(gè)分立電感器(Lx)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該諧振電路包括至少一個(gè)分立電容器(Cx)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該驅(qū)動(dòng)器電路包括一個(gè)變壓器(T’)，用將該第一切換器件與該至少一個(gè)功率切換器件耦合在一起，其中該諧振電路包括連接在該變壓器的次級(jí)一側(cè)的至少一個(gè)分立電容器(X)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該諧振電路包括至少一個(gè)分立電感器(Lx)，連接在該變壓器初級(jí)一側(cè)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該驅(qū)動(dòng)器電路包括一個(gè)變壓器(T)，將該第一切換器件與該功率切換器件耦合在一起，其中該諧振電路包括至少一個(gè)分立電容器(Cx)。連接在該變壓器的初級(jí)一側(cè)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的驅(qū)動(dòng)器電路，其中該諧振電路包括至少一個(gè)分立電感器(Lx)，連接在該變壓器的初級(jí)一側(cè)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，包括連接到該第一切換器件的第一和第二功率切換器件(SA,SB)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)器電路，其中將該切換電路用作氣體放電燈鎮(zhèn)流變換器。
10．一種用于切換電路的驅(qū)動(dòng)器電路(10a,10b)，該切換電路具有含寄生輸入電容(CiSSa,CiSSb,CiSS)的至少一個(gè)功率切換器件(SA,SB,S)，該驅(qū)動(dòng)器電路包括信號(hào)產(chǎn)生器(18)，提供高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第一切換器件(S1)，用于接收該高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)該至少一個(gè)功率切換器件；和用于傳送能量的裝置(T,T’)，在該至少一個(gè)功率切換器件的截止期間，傳送來自該寄生輸入電容的能量，而在該至少一個(gè)功率切換器件的導(dǎo)通期間，將能量傳送給該功率切換器件。
全文摘要
一種用于諸如氣體放電燈的變換器的高頻切換電路的驅(qū)動(dòng)器電路,包括諧振電路,在切換該功率切換器件期間傳輸一個(gè)或多個(gè)功率切換器件(SA,SB)的寄生輸入電容的能量。該能量傳輸避免了在該驅(qū)動(dòng)器電路中的電容能量的消耗,否則將損壞該驅(qū)動(dòng)器電路的部件。該諧振電路包括一個(gè)在該驅(qū)動(dòng)器電路中的分立電感器(Lx)。最好將一個(gè)或多個(gè)分立電容器(Cxa,Cxb)也包括在該驅(qū)動(dòng)器電路中,以便不管寄生電容如何變化都保持在給定的頻率上諧振。
文檔編號(hào)H03K17/0412GK1315078SQ00801187
公開日2001年9月26日 申請(qǐng)日期2000年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月24日
發(fā)明者錢金榮 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司