半正弦波谐振激励电路制造技术

一种提供改进的操作和占空因数控制的激励器件，该激励器件包括： 开关装置，用于根据激励信号以占空因数工作；以及 栅极激励装置，用于根据输入信号，产生半正弦波输出信号，用作开关装置的激励信号，该栅极激励装置具有与开关装置的栅极相连的谐振电路。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及功率电子器件，更具体地说，本专利技术涉及用于MOS栅控(gated)功率电子器件的激励电路。
技术介绍
所构造的金属氧化物半导体(MOS)器件具有电压控制栅极。在工作过程中，通过对栅极施加偏置(即电压)来接通这些器件。在这些器件中，栅极与其它电极(例如金属氧化硅场效应晶体管内的源极和漏极)形成电容，为了要接通和断开这些器件需要对其进行充电和放电(即将电荷注入栅极或从栅极提取电荷)。在确定这些器件的工作要求时，利用偏置电压倍增的电荷表示“接通”和“断开”能量。在许多功率半导体应用中，该器件通常必须与其它器件结合交替接通和断开，从而形成功率变换电路。需要提高这种电路的工作频率(即开关速度)，从而允许利用更小型、廉价的有关无源部件实现这些电路。然而，如果提高工作频率，则栅极激励电路所需功率也成正比提高(即功率等于能量乘以频率)。特别是对于栅极激励电路，通常或者独立使用半桥式电路，或者将半桥式电路用作功率MOS激励器集成电路(IC)的一部分。在使用这种桥式电路时，由电压源通过该激励器的输出电阻、该受控器件的栅极扩散电阻以及任何附加串行电组对栅极进行充电和放电。因此，电荷正向和反向通过此电阻(即产生电阻的器件)会产生功率损耗。应该注意，在该激励器接通和断开时，电荷流动，因此该激励器不必饱和，从而产生比所提供的该激励器的“充分接通”值高的电阻。降低该电阻无助于降低损耗，因为这样只能使相同电荷流动得更快。最近几年，因为MOS技术上的优势，所以MOS栅控功率器件已经在许多应用中代替了双极器件。例如，MOS栅控功率器件没有静态(即直流)激励功率消耗。在这种器件中，一些交流功率损耗是可以接受的，并且在频率达到几百千赫兹(KHz)时，与电路内的其它功率损耗相比，这种损耗不明显。随着频率的升高，问题产生了。特别是，在开关损耗升高时，功率耗散也升高。为了试图解决这些问题，越来越多地在功率变换电路中实现0电压、0电流和谐振开关技术。这些电路通常再循环或再利用接通或断开器件输出电容所需的能量，从而降低器件的功率耗散并提高总体效率。例如，诸如图1和图2所示MOS激励电路的已知器件在栅控电路中采用高Q(即品质因数，它是系统内的耗散量的反映)谐振电路以“吸收”栅电容并产生正弦栅压。实质上是设置滤波器电路(即图1所示单元件高Q调谐电路和图2所示的四元件滤波器电路)以产生正弦波信号。具体地说，在典型半桥式配置中，将栅极激励变压器插在谐振电路与栅极之间，并且以这样的方式定相该变压器，即以相反相位激励每个器件。正确接通和断开与该谐振电路相连的激励器件可以消除大部分激励器损耗。然而，只能提供非常有限的占空因数(duty cycle)(即50％或约50％)。全正弦波谐振驱动电路通过改变幅值对占空因数提供有限控制，但是这样会影响波形的穿过点和受激器件的阈值电压。在工作过程中，为了显著降低占空因数而降低激励电压会导致在栅极阈值之后出现低幅值，并因此导致不饱和。因此，已知MOS驱动电路只能实现非常有限的有效占空因数工作过程，它大致比穿过0点与栅极阈值电压之间的延迟少50％。降低幅值会降低占空因数，但是也会延长开关时间并降低“峰值接通偏置”。这样会提高“直流接通”损耗。总之，能尽快断开受控器件最好。随着频率的升高，开关周期的更大部分用于开关过渡过程，因此需要更短的导通时间，该导通时间比已知电路可以实现的导通时间要短。因此，需要一种其激励电路可以在更大占空因数范围内(即约25％至约50％)有效工作(即没有功率损耗，或者是额定功率损耗)的系统，特别是，需要一种以高频在此大范围内激励栅控功率器件(例如MOS器件)的系统。这种系统需要以此高频、无需将原始幅值降低到不可接受程度来控制占空因数。
技术实现思路
本专利技术一般地提供了一种单独调节幅值和占空因数，再循环或再利用接通和断开激励器件(例如MOS栅控功率器件)的输入电容所涉及的能量的半正弦波激励电路以及提供这种半正弦波激励电路的方法。因此，尤其对于高频工作过程(即高于几百KHz)，降低了器件的功率耗散并提高了总体效率。在工作过程中，本专利技术可以以高开关频率实现约25％至约50％的占空因数而不产生器件功率损耗。具体地说，用于功率器件(例如MOS栅控功率器件)的激励电路包括开关装置，其在大占空因数范围内实现有效工作；以及栅极激励装置，用于根据方波输入信号，产生半正弦波输出信号，用作开关装置的激励电压以产生大占空因数范围。该栅极激励装置包括通过电容与开关装置的栅极相连的谐振电路。该开关装置可以是晶体管，栅极激励装置对该晶体管的栅极提供半正弦波输出信号。谐振电路适于被配置在输入信号的工作频率与约其2倍工作频率之间，从而实现约50％至约25％之间的占空因数。谐振电路的激励电感和电容实际上适于被配置以根据激励频率控制占空因数。谐振电路的激励电感可以包括变压器，并且在此结构中，该激励电感适于被配置以实现约50％至约75％占空因数。进一步设置直流偏置装置以控制该电路的直流电平。例如，谐振电路可以包括通过电容与开关装置的栅极相连的E类单端谐振电路。该激励器件可以包括提供输入信号的硬性(hard)开关，例如逻辑门。由于在此输入端需要较低功率，所以该逻辑门产生功率损耗和功率耗散不太大。在另一个实施例中，根据本专利技术的谐振激励电路在高工作频率下提供改进的独立幅值和占空因数控制而不产生功率损耗，该谐振激励电路包括被接通和断开以实现约25％至约50％的占空因数的MOS受控器件(例如晶体管)。还包括通过电容与MOS受控器件的栅极相连的谐振激励电路，该谐振激励电路根据方波输入信号提供半正弦波输出信号用于激励MOS受控器件。该谐振激励电路适于在输入信号确定的工作频率与约其2倍工作频率之间工作从而接通和断开MOS受控器件。对谐振激励电路的激励电感和电容进行配置以实现约25％至约50％的占空因数。设置直流偏置以控制半正弦波信号的直流电平。谐振电路可以包括提供激励电感的变压器。可以包括硬性开关输入器件。一种在高工作频率下对幅值和激励电路的占空因数进行控制又不产生功率损耗的方法，该方法包括步骤接受周期性输入信号；利用通过电容与开关装置相连的谐振电路，根据方波输入信号产生半正弦波输出信号；以及对该谐振电路进行配置从而以约25％至50％的占空因数运行。还对谐振电路提供直流配置。该方法进一步包括通过谐振电路再利用被接通和断开的开关器件的栅极电荷。使用与谐振电路相连的变压器增加隔离或倒置激励波形以实现50％至75％占空因数的工作过程。因此，本专利技术提供了一种可以在高频下在大占空因数范围(即约25％至约50％)内工作而不产生功率损耗的谐振激励电路和提供该谐振激励电路的方法。通过调节谐振电路内的各部件，可以实现正确占空因数，从而激励诸如MOS栅控功率器件之类的开关器件。根据以下提供的详细说明，本专利技术的其它可应用领域将变得更加明显。显然，说明本专利技术优选实施例的详细说明和特定实例仅具有说明性意义，而不是用于限制本专利技术的范围。附图说明根据详细说明和附图，本专利技术将变得更容易被充分理解，附图包括图1是典型全正弦波激励电路的原理图；图2是另一个典型全正弦波激励电路的原理图；图3是根据本专利技术原理构造的半正弦波激励电路的原理图；图4是具有直流偏置的、图3所示半正弦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·乔治·本奈特，
申请(专利权)人：ENI技术公司，
类型：发明
国别省市：