高頻DC-DC變換器及其諧振驅動電路制造技術

本發明專利技術公開了高頻DC-DC變換器及其諧振驅動電路，屬于電力電子器件尤其是開關電源的技術領域。變換器包括：依次連接的逆變模塊、阻抗匹配模塊、整流模塊，逆變模塊包括諧振在兩倍開關頻率處的電感電容且其余電感。電容均參與諧振，形成二次諧波陷阱，實現了開關管ZVS并減小了開關管應力；驅動電路包括移相網絡、反相器并聯驅動級以及諧振驅動模塊，采用RC移相諧振驅動實現同步整流技術，減小了導通損耗，適用于低壓輸出場合。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術公開了高頻DC-DC變換器及其諧振驅動電路，屬于電力電子器件尤其是開 關電源的

技術介紹
傳統PffM DC-DC變換器的工作頻率一般在MHz以下，其體積、重量和動態響應都受 到了較大限制。為了大幅提升功率密度、集成度、動態性能和可靠性，工業界正不斷推動工 作頻率的大幅增加。開關頻率的增加直接降低了對功率變換器件的儲能要求，改善了瞬態 響應速度，并且在理論上實現了無源元件（電容和磁性元件）的小型化和集成度，提升了功 率密度。同時新型半導體器件的推出和新型磁性材料的不斷發展，也為功率變換的高頻化 發展提供了可能性。 雖然開關頻率的大幅提高帶來了很多優點，但同時也帶來很多問題和挑戰，包括 功率半導體器件開關損耗的顯著增加，電路寄生參數的影響加劇，高速驅動的實現等等，這 些問題都有待解決。因此高頻功率變換技術日益成為國內外高效、高性能功率變換技術的 研究熱點。 另外，在低壓輸出場合，整流電路作為DC/DC高頻變換器的重要組成部分，對變換 器的整機性能起著非常關鍵的作用。傳統的整流電路采用功率二極管，由于二極管的通態 壓降較高（典型值為〇. 3~IV)，因此整流損耗較大。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對上述
技術介紹
的不足，提供了高頻DC-DC變換 器及其諧振驅動電路，實現開關管的零電壓開通，減小了開關損耗以及應力，減小了導通損 耗，解決了提高開關頻率以提升變換器功率密度存在開關損耗增加、電路寄生參數的影響 加劇、高速驅動實現難的技術問題。 本專利技術為實現上述專利技術目的采用如下技術方案： 高頻DC-DC變換器，包括：依次連接的逆變模塊、阻抗匹配模塊、整流模塊， 逆變模塊包括：第一諧振電感和第一諧振電容、在兩倍開關頻率處諧振的第二諧 振電感和第二諧振電容、第一 MOS管，第一諧振電感一端接直流電壓源正極，第一諧振電感 另一端與第二諧振電感一端、第一 MOS管源極相連接，第二諧振電感另一端接第二諧振電 容一極，第二諧振電容另一極、第一 MOS管漏極與直流電壓源負極連接后接地，第一諧振電 容并聯在第一 MOS管的源極和漏極之間，第一諧振電感和第一諧振電容參與諧振； 阻抗匹配模塊包括：第三諧振電感和第三諧振電容，第三諧振電感一端接第一 MOS管源極，第三諧振電感另一端接第三諧振電容一極，所述第三諧振電感和第三諧振電容 的等效阻抗為感性； 整流模塊包括：第四諧振電感、第四諧振電容、輸出電容、第二MOS管，第四諧振 電容一極、第四諧振電感一端、第三諧振電容另一極均與第二MOS管源極相連接，第四諧振 電感另一端接輸出電容一極，第二MOS管漏極、第四諧振電容另一極、輸出電容另一極均接 地，第四諧振電感和第四諧振電容參與諧振。 作為所述高頻DC-DC變換器的進一步優化方案，第一諧振電感的電感值Lf、第二諧 振電感的電感值L2f、第二諧振電容的電容值C2f滿足以下表達式： 其中，Cf為第一諧振電容的電容值，C C dsl，Cdsl為第一 MOS管寄生電容的電容 值，fs為開關頻率。 進一步的，調整所述高頻DC-DC變換器中第一諧振電感的電感值以及第一諧振 電容的電容值，以使第一 MOS管漏極與源極之間等效電阻在開關頻率匕處的相角裕度在 30°以上且第一 MOS管漏極與源極之間等效電阻滿足：Zds(fs)>Zds(3f s)》Zds(2fs)的約束， Zds (fs)、Zds (2fs)、Zds (3fs)分別為第一 MOS管漏極與源極之間等效阻抗在開關頻率處、兩倍 開關頻率處、三倍開關頻率處的取值。 高頻DC-DC變換器的諧振驅動電路，包括：將初始驅動信號分裂為兩個具有一定 相位延時驅動信號的移相網絡、包含兩個反相器組的反相器并聯驅動級、包含兩個諧振驅 動回路的諧振驅動模塊，其中，兩個反相器組的輸出端分別接兩個具有一定相位延時驅動 信號中的一個驅動信號，兩個諧振驅動回路輸入端分別與兩組反相器組中一個反相器組的 輸出端連接，兩個諧振驅動回路輸出端分別接在第一 MOS管或第二MOS管的柵源極之間。 作為所述高頻DC-DC變換器的諧振驅動電路的進一步優化方案，移相網絡包括： 隔直電阻、隔直電容、移相電阻、移相電容、比較器，其中， 隔直電容一極接初始驅動信號，隔直電容另一極與隔直電阻一端、移相電阻一端 相連接，移相電阻另一端、移相電容一極均與比較器正相輸入端連接，隔直電阻另一端、移 相電容另一極、比較器負相輸入端均接地，比較器輸出端接一個反相器組的輸入端。 進一步的，所述高頻DC-DC變換器的諧振驅動電路中，兩個諧振驅動回路結構相 同，均包括：串聯諧振電感、輔助開關管、并聯諧振電感、并聯隔直電容、門極寄生電阻、門極 寄生電容，其中， 串聯諧振電感一端接一個反相器組輸出端，串聯諧振電感另一端與輔助開關管漏 極、并聯諧振電感一端、門極寄生電阻一端相連接，輔助開關管柵極接控制信號，并聯諧振 電感另一端接并聯隔直電容一極，門極寄生電阻另一端接門極寄生電容一極，輔助開關管 源極、并聯隔直電容另一極、門極寄生電容另一極均接地。 再進一步的，所述高頻DC-DC變換器的諧振驅動電路中，串聯諧振電感的電感值Ld 為：Lp為并聯諧振電感 和并聯隔直電容在開關頻率處的等效電感值，為并聯諧振電感和并聯隔直電容在開關 頻率處的等效電感Lp與變換器中兩開關管柵源寄生電容的等效電容值。 本專利技術采用上述技術方案，具有以下有益效果： (1)變換器中所有的電感和電容均參加諧振，實現了開關管的零電壓開通； (2)為保證逆變模塊中開關管能夠實現ZVS，阻抗匹配模塊的等效阻抗呈感性；逆 變模塊中并聯在開關管兩端的LC電路諧振在兩倍開關頻率處形成二次諧波陷阱，使得諧 振網絡阻抗對二次諧波呈現低阻抗；逆變模塊中參與諧振的第一諧振電感和第一諧振電容 使得諧振網絡阻抗對一次諧波和三次諧波呈高阻抗并幫助開關管實現ZVS ; (3)適當調節逆變模塊中參與諧振的第一諧振電感和第一諧振電容的參數以使得 逆變模塊中開關管實現ZVS且電壓應力更小； (4)驅動電路采用RC移相諧振驅動實現了同步整流技術，減小了導通損耗，適用 于低壓輸出場合； (5)變換器在該驅動電路驅動下工作，可用于超高頻場合（IOMHz以上），提高了變 換器的功率密度。 本專利技術附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本專利技術的實踐了解到。【附圖說明】 為了更清楚地說明本專利技術實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 的附圖。 圖1為同步整流高頻DC/DC變換器的結構示意圖。 圖2為E類同步整流電路仿真模型。 圖3為掃描1^時E類同步整流電路的輸入基波電壓和電流波形。 圖4為同步整流高頻DC/DC變換器等效電路圖。 圖5為逆變電路的等效阻抗電路。 圖6為諧振網絡的阻抗特性。 圖7為Z#P Z ds的阻抗特性。 圖8為諧振驅動電路的結構示意圖。 圖9(a)為主開關》5管仏的驅動波形和ds兩端電壓波形，圖9(b)為同步整流 MOS管Q2的驅動波形和ds兩端電壓波形。 圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
高頻DC?DC變換器，包括：依次連接的逆變模塊、阻抗匹配模塊、整流模塊，其特征在于，逆變模塊包括：第一諧振電感和第一諧振電容、在兩倍開關頻率處諧振的第二諧振電感和第二諧振電容、第一MOS管，第一諧振電感一端接直流電壓源正極，第一諧振電感另一端與第二諧振電感一端、第一MOS管源極相連接，第二諧振電感另一端接第二諧振電容一極，第二諧振電容另一極、第一MOS管漏極與直流電壓源負極連接后接地，第一諧振電容并聯在第一MOS管的源極和漏極之間，第一諧振電感和第一諧振電容參與諧振；阻抗匹配模塊包括：第三諧振電感和第三諧振電容，第三諧振電感一端接第一MOS管源極，第三諧振電感另一端接第三諧振電容一極，所述第三諧振電感和第三諧振電容的等效阻抗為感性；整流模塊包括：第四諧振電感、第四諧振電容、輸出電容、第二MOS管，第四諧振電容一極、第四諧振電感一端、第三諧振電容另一極均與第二MOS管源極相連接，第四諧振電感另一端接輸出電容一極，第二MOS管漏極、第四諧振電容另一極、輸出電容另一極均接地，第四諧振電感和第四諧振電容參與諧振。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：金科，王晶晶，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32