用于隔離輸入開關元件的柵極驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種用于開關元件的柵極驅動器，更具體地，設及一種用于提高開關 元件的驅動效率的柵極驅動器。
【背景技術】 陽00引圖1是圖示包括傳統的MOS陽T開關的LLC諧振逆變器電路的視圖。
[0003] 在如圖1中所示的LLC諧振逆變器電路中，MOS陽T開關Ml和MOS陽T開關M2交替 開關W向負載供給能量。在該情況下，如果W高于由電感器LU電容器Cl和磁化電感確定 的諧振頻率的開關頻率驅動Ml和M2,則在Ml或M2的漏源電壓幾乎為零時可W接通開關。 該操作被稱為"零電壓開關狂VS)"。通過執行ZVS操作，不僅可W使開關的導通損耗最小， 而且可W減少電磁干擾。
[0004] 圖2是現有技術的同步降壓轉換器的電路圖。
[00化]在如圖2中所示配置的同步降壓轉換器中，當Ml接通時，經由Ll將能量供給負 載。隨后，當Ml斷開時，電感器電流續流通過M2,并且此時，M2兩端的漏源電壓接近零，因 此滿足ZVS。
[0006] 圖3是在使用傳統的柵極驅動器執行的ZVS的情況下的等效電路圖。
[0007] 圖3示出了當使用傳統的柵極驅動器10接通滿足ZVS條件的開關時的等效電路 圖。作為ZVS條件，Ml的漏極處于與源極相同的電位。在圖3中，Ml的漏極被設定為地電 平。此時，當M2接通時，Ml也接通，從而完成ZVS。對于要接通的M1，必須將柵源寄生電容 器Cgs和柵漏寄生電容器Cgd充電到使得MOSFET接通的闊值電壓W上。通過下式1獲得從 電源VDD提供的功率
[000引Pdriving二Qg?VDD?f
[0009] 二（Cgs+Cgd) ?VDD2 ?f(I)
[0010] 由于表示要供給的電荷的成是（Cg,+Cgd)*VDD，因此如式I中所示，與柵極 的總寄生電容（Cg=Cgg+Cgd)成比例。其還與驅動電壓的平方W及與開關頻率成比例。在 驅動頻率低的情況下，盡管開關損耗較之MOSFET的接通電阻Rdson引起的導通損耗通常是 可忽略的，但是開關損耗隨著頻率的上升而增加，運意味著不論開關的Rdson增加多少，仍 不可能實現具有良好的效率的系統。
【發明內容】
[0011] 技術問題
[0012] 本發明的目的在于提供一種能夠減少因在開關元件的驅動期間對柵極充電導致 的開關功耗的柵極驅動器。
[0013] 技術解決方案
[0014] 本發明提供了一種用于驅動開關元件的柵極驅動器，該柵極驅動器包括禪合到開 關元件的輸入的電容器。
[0015] 柵極驅動器可W被配置成通過經由電容器供給電荷來接通開關元件，并且在斷開 開關元件時使電容器放電。
[0016] 柵極驅動器可W被配置成通過經由電容器供給電荷來接通開關元件；在斷開開關 元件時儲存電容器中存儲的電荷；并且在控制開關元件再次接通時重新使用電容器中儲存 的電荷。柵極驅動器可W被配置成，當柵極驅動器控制開關元件再次接通時，允許與寄生電 容器共享電容器中保存的電荷。開關元件的寄生電容器可W包括開關元件的柵源寄生電容 器和柵漏寄生電容器。
[0017] 有利效果
[0018] 根據本發明，柵極驅動器，具體地電容器禪合柵極驅動器（CCGD)和電荷再循環電 容器禪合柵極驅動器（CRCCGD)二者均基于電容器禪合驅動器，并且在略微增加導通損耗 時，此二者仍通過W大于導通損耗的增加率降低開關損耗來提高整體效率。
[0019] 根據本發明，尤其是在執行零電壓開關并且W高速驅動諸如MOSFET和GaN器件的 輸入隔離的開關器件的應用中，具有高頻的CCGD和CRCCGD較之現有方法帶來效率提高的 效果。
【附圖說明】
[0020] 圖1是圖示包括傳統的MOS陽T開關的LLC諧振逆變器電路的示圖。
[0021] 圖2是現有技術的同步降壓轉換器的電路圖。
[0022] 圖3是使用傳統的柵極驅動器執行的ZVS的情況下的等效電路圖。
[0023] 圖4是示出MOS陽T的柵極驅動電壓和接通電阻的曲線圖。
[0024] 圖5是示出根據MOS陽T的尺寸的最大效率點的曲線圖。
[0025] 圖6是根據本發明的示例性實施例的柵極驅動器的電路圖。 陽0%] 圖7是圖6的柵極驅動器電路的操作原理的示圖。
[0027] 圖8是根據本發明的另一示例性實施例的柵極驅動器的電路圖。
[0028] 圖9是示出圖8中所示的每個開關的驅動波形的示圖。
[0029] 圖10圖示了用于示出圖8的柵極驅動器的操作原理的電路圖。
[0030] 圖11是用于說明在如圖10中所示驅動柵極驅動器時的功率節約因子（PS巧的分 析的示圖。
[0031] 圖12是示出根據電容器Cs的容量的柵極電壓的幅值的曲線圖。 陽03引 圖13是示出CRCCGD和CCGD之間的PSF比較的曲線圖。
[0033] 圖14是有源整流器效率測試電路圖。
[0034] 圖15是示出有源整流器的效率的曲線圖。
【具體實施方式】
[0035] 通過附圖將更清楚地理解本發明的W上和另外的方面，在附圖中示出了本發明的 示例性實施例。在下文中，提供了示例性實施例W詳細描述本發明，使得本領域技術人員能 夠實施和完整地理解本發明。
[0036] 圖4是示出MOS陽T的柵極驅動電壓和接通電阻的曲線圖。
[0037] 圖4是示出根據20V橫向雙擴散MOS(U)MO巧的柵極驅動電壓的MOS陽T的接通 電阻Rdson的曲線圖。X軸表示柵極驅動電壓[V]并且Y軸表示MOS陽T的接通電壓，即Rdson虹Ohm]。如果20VLDMOS的闊值電壓被設定為約0. 8V，并且當20VLDMOS被驅動到 2VW上時，可W實現期望的接通特性。此外，在柵極電壓增加時，Rdson減小，但是不劇烈； 并且即使在電壓增加時，仍僅存在最小的減小量。曲線圖中的MOSFET柵極的寬度和長度之 間的比是6000*NR/1. 3 [um/um]，其中可W看到在通過使NR上升來使MOS陽T尺寸增加時， Rdson減小。在Rdson隨著MOS陽T尺寸的增加而減小時，導通損耗也減小，同時總柵極電容 Cg增加。因此，開關損耗增加，導致在圖5中可W看到的情況。因此，在兩個效率相遇的點 處，可W滿足最大效率（即最小損耗）。在下文中，將詳細描述通過減小開關損耗來提高效 率的開關機制。
[0038] 圖6是根據本發明的示例性實施例的柵極驅動器的電路圖；并且圖7是圖6的柵 極驅動器電路的操作原理的示圖。
[0039] 圖6表示電容器禪合柵極驅動器（CCGD)電路。CCGD電路包括串聯連接在包括M2 和M3的驅動器的輸出端子和Ml之間的電容器Cs。圖7中示出了CCGD電路的操作。圖 7(a)示出了在Ml接通時的操作；而圖7(b)示出了在M2斷開時的操作。如圖7(a)中所示， 當M2接通時，通過Cs供給電荷，Vg上升，并且Ml接通。當Ml斷開時，M3和M4二者同時接 通，Vg變為零伏（Vg= 0)，并且Cs被放電。如果Cs未被放電，則電荷不能被遞送到Ml柵 極。 W40] 在如上所述的運些操作期間，電壓Vg根據Cs的容量而變化。假定Cg=Cgs+Cgd 和Cs如式2所示，則如式3確定柵極電壓Vg。 W41]Cs=a?Cg似 閨
(3)
[0043] 在電源中必須被充電的總電容Ctotal與串聯連接的Cs和Cg的容量相同并且因 此被表示為式4。 W44]
(4) W45] 因此，使用式1和式4,由于CCGD引起的開關損耗I\cceD可W被表示為式5。 幽]
CS.)
[0047] 運里，PSF表示功率節約因子，其指示較之現有的驅動器驅動開關期間的開關損耗 的開關損耗的減少比。 W48] 如可從式3看到的，可W通過調整Cs的容量來控制電壓Vg。在Cs降低時，電壓Vg下降，并且因此導通損耗增加。然而，如可從式5看到的，開關損耗仍減小。如圖4中確 認的，當柵極電壓是2. 5V或更高時，MOSFET的Rdson沒有顯著增加，并且因此較之添加Cs 引起的導通損耗，開關損耗的減小可W是較大的。如果通過指定a來設定CsW滿足運些 條件，則可W提高效率。在a=1的情況下，給定VDD= 5V，則Vg變為2. 5V。此時，Rdson 增加約20%并且PSF= 1/2,并且因此開關損耗減少50%。因此，當使用上述機制時可W預 期25 %的效率提高。 W例圖8是根據本發明的另一示例性實施例的柵極驅動器的電路圖。
[0050] 圖8圖示了用于進一步改進開關損耗的增強的柵極驅動器。在圖6的柵極驅動 器中，當Ml斷開時，Cs電荷被放電，并且因此效率提高不明顯。另一方面，在圖8的柵極驅 動器電路中，當斷開的Ml被再