一种适用于多路驱动的四开关型谐振栅极驱动电路

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种适用于多路驱动的四开关型谐振栅极驱动电路，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、随着便携式设备不断地发展，小型化且高效率已经成为开关电源领域不断追求和发展的目标。提高开关频率可以减小开关电源的体积和重量，但是同时伴随着开关管损耗的急剧增加，尤其是栅极驱动损耗将随着开关频率的提高成线性增长。

2、传统驱动损耗常常与开关频率成正比，高开关频率导致的高驱动损耗成为电源变换器进一步提高频率和功率密度的阻碍之一。在配置外围电路时，通常一块半桥驱动芯片能够驱动一对半桥，并且驱动损耗与开关频率成正比，限制了变换器开关频率的进一步提高。另外对于输入串联型的转换器结构，其mos管数量大，驱动信号浮动，如果使用传统的半桥驱动芯片，需要的驱动芯片数量多，驱动损耗大，给驱动芯片供电的辅助电源结构复杂，驱动系统占用空间变大，会降低系统的功率密度。

3、上世纪九十年代初，为了降低系统驱动损耗，人们提出了高频谐振栅极驱动技术，谐振栅极驱动器通过lc谐振，将栅极电容上的能量回收，具有更低的栅极驱动损耗，在高频应用场景下，具有明显优势。目前有很多类型的谐振类栅极驱动器，如2008年w.eberle等人提出的一种谐振栅极驱动电路(w.eberle,y.-f.liuandp.c.sen,"anewresonantgate-drivecircuitwithefficient energyrecoveryandlowconductionloss,"inieeetransactionson industrialelectronics,vol.55,no.5,pp.2213-2221,may2008,doi:10.1109/tie.2008.918636.)，由四个控制开关和一个小的谐振电感组成。所提出的电路还实现了快速的接通和关断过渡时间，以减少功率mosfet中的开关和传导损耗，在充放电整个过程中驱动电路的所有mos管都实现了软开关，循环电流低，可以在5v栅极驱动电压下恢复51％的栅极能量。然而其控制时序复杂，时序匹配困难，并且不带隔离功能，无法实现多路驱动。

4、2019年wu,q.wang,等人提出了一种新的零电流开关双通道推拉隔离谐振栅极驱动器(q.wu,q.wang,j.zhuandx.lan,"dual-channelpush–pull isolatedresonantgatedriverforhigh-frequencyzvsfull-bridge converters,"inieeetransactionsonpowerelectronics,vol.34,no.5,pp.4019-4024,may2019,doi:10.1109/tpel.2018.2873192.),驱动在高开关频率下工作的一个桥臂中的一对功率mosfet。该驱动包括提供两个隔离互补驱动信号的能力、低栅极驱动损耗和关断状态的高可靠性，并实现了低部件，从而能够降低驱动成本并提高可靠性。然而该方案需要额外的变压器漏电感设计以及大的励磁电感设计，高频平面下设计难度大，需要控制栅驱动电路时序来确定死区，控制略微复杂。

5、吴新科团队针对这种多级串联型dcx在高频下(1mhz)的大驱动损耗以及需要的多级浮动驱动的问题，在2022年提出了一种新半桥型隔离谐振栅极驱动器(g.liandx.wu,"a98.4％efficiency380v-12vdcxwith1.3kw/in3power densityusinglownfomdevicesandresonantdrivetransformer,"inieee transactionsonpowerelectronics,vol.37,no.10,pp.12346-12356,oct.2022,doi:10.1109/tpel.2022.3178162.),通过控制谐振参数的设计来控制驱动信号的死区时间，实现基于变压器的多路栅极驱动，该谐振栅极驱动器结构与llc拓扑相似，通过谐振方式给mosfet的栅极电容充放电，实现栅极驱动能量的回收，提升效率，对比传统的半桥驱动器，使用谐振型栅极驱动器占用空间显著降低，提升了整体系统的功率密度，其不足之处在于不带电平移位功能，循环电流导致较大损耗，没有对开关管的关断损耗与驱动损耗进行建模分析。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的发明目的是针对上述背景技术中的不足，提供了一种适用于多路驱动的四开关型谐振栅极驱动电路，解决了现有谐振栅极驱动方案存在的驱动损耗高、控制复杂且死区不可控、磁性和开关元件较多、驱动电流小和无法实现多路驱动的技术问题。

2、技术方案：本发明的一种适用于多路驱动的四开关型谐振栅极驱动电路由四个金属氧化物半导体场效应管mosfet和隔离式变压器构成；其中，第一mosfet和第二mosfet构成一个半桥，半桥中点连接至变压器的原边的同名端，并且通过桥臂中点连接至主拓扑栅极驱动器第四开关管栅极；第三mosfet和第四mosfet同样构成一个半桥，半桥中点通过端口连接至变压器的原边的非同名端，并且连接至主拓扑栅极驱动器的第二开关管栅极；主拓扑栅极驱动器的第四开关管的栅极寄生电容视为并联在第二mosfet的两端，主拓扑栅极驱动器的第二开关管的栅极寄生电容视为并联在第四mosfet的两端。

3、所述的变压器，其第一副边、第二副边设置线圈实现浮地驱动，实现多个隔离驱动设计，当两个互补的隔离驱动时，副边设计两个线圈，其上端线圈的同名端接在主拓扑的第一开关管的栅极寄生电容，非同名端与该栅极寄生电容另一端相接浮地；副边下端线圈的非同名端接在主拓扑的第三开关管的栅极寄生电容，同名端和该栅极寄生电容另一端相接浮地。所述的四个mosfet的栅极输入信号通过数字信号处理芯片发出信号，再经过主拓扑栅极驱动器来产生；其中，第一mosfet和第二mosfet互补导通，第三mosfet和第四mosfet互补导通。

4、所述的第二mosfet波形与第四mosfet波形相位差为180°，第一mosfet波形与第三mosfet波形相位差为180°。

5、所述的栅极输入信号，由于输入信号的不同，电路也工作在不同的模态，总共可分为t0～t8八个工作模态，在这八个工作模态中，电路通过栅极寄生电容与变压器电感谐振，实现了对主拓扑栅极驱动能量回收。

6、所述的四个mosfet的栅极信号，通过改变四个mosfet的栅极信号相位来实现死区时间的控制，第二mosfet开通时刻与第四mosfet关断时刻之差为第一个死区时间，第四mosfet开通时刻与第二mosfet关断时刻之差为第二个死区时间。

7、有益效果：本发明采用上述技术方案具有以下优点：

8、(1)本发明能够实现栅极驱动能量回收。

9、(2)本发明控制简单，死区可控。

10、(3)本发明使用了较少的磁性元件和开关元件。

11、(4)本发明的驱动电流大，可以实现具有快速的关断能力。

12、(5)本发明能够利用变压器实现多路驱动能力。