SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد راهنما) احسان ادیب (استاد مشاور)
STUDENT
Elham Ovaysi
الهام اویسی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Investigation and Improvement of High Frequency Gate Drive Circuits
In today power supply technology, especially in computing and telecommunication systems such as mobile and microprocessor applications, it is desired to have power supplies with high power density, fast transient response, high efficiency, and less weight. Increasing switching frequency is an important parameter to achieve these purposes. Considerable gate driving losses and switching losses are the consequences of increased switching frequency, which leads to efficiency degradation in conventional gate drivers. Thus, in high frequency applications, resonant gate drive techniques are proposed in order to recover a portion of the gate energy dissipated in high frequency conventional gate drivers. In resonant gate drivers, the input capacitance of the power MOSFET resonates with the inductor which is used to realize the LC driver. So, this capacitance would be charged with zero initial inductor current. In current source driver (CSD), the mentioned capacitance is charged and discharged through a constant current produced by an inductor. Consequently, in addition to gate drive loss reduction, transition time is reduced and lower switching loss can be attained. On the other hand, in a CSD with discontinuous inductor current, the conduction loss could be decreased, and the drive current would be independent of power MOSFET duty cycle. This makes the discontinuous CSDs suitable for variable duty cycle control. In low voltage converters, especially in portable applications due to low level of input voltage, it is demanded that the gate drive circuit enhance the gate voltage of the power MOSFET to more than the input voltage. In converters with more than one power switch, using separate gate drivers results in circuit complexity and increment of gate driver size. In this thesis, after a brief review of resonant gate drivers and CSDs, three new CSDs are introduced. The first CSD enjoys from reducing the gate drive losses, in addition to a notable reduction in switching losses. This is due to the fact that the driver is a current source gate driver enhancing the speed of charging and discharging of gate capacitance. Two other considerable features of the proposed CSD are the low number of components used and simple control circuit. The individual feature of the first proposed circuit is that the gate-source voltage of the power MOSFET can reach higher than the supply voltage. In the second proposed CSD, in addition to rising gate voltage of the power MOSFET, conduction loss is decreased even further, and the drive current is independent of power MOSFET duty cycle. Therefore, this CSD is useful for variable duty cycle control. The third proposed CSD is able to drive two power MOSFETs which is applicable in synchronous buck converter. The presented simulation results of these CSDs, confirm the theoretical analysis, and a prototype of the first CSD is implemented to validate the features of the proposed circuit. Keywords: Resonant gate driver, gate drive loss, current source driver, switching loss.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و تمایل به مجتمع‌سازی مدارات الکترونیک‌قدرت، نیاز به کاهش اندازه‌ی المان‌های غیرفعال مدار و درنتیجه کاهش حجم و وزن این مدارات بیشترشده‌است. پارامترمهم و تاثیرگذار جهت دستیابی به این اهداف افزایش فرکانس‌کلیدزنی می‌باشد. باتوجه به این‌که تمایل به بالارفتن سرعت پردازنده‌ها نیزوجود دارد، بالارفتن فرکانس به سریع‌ترشدن پاسخ حالت‌گذرای مدار نیز کمک خواهدنمود. درکنار این مزایا، بالارفتن فرکانس افزایش تلفات وابسته به فرکانس را به‌همراه دارد. دریک راه‌اندازگیت نوع منبع‌ولتاژ، تلفات با فرکانس رابطه‌ی مستقیم دارد، لذا استفاده از این نوع راه‌اندازگیت برای ماسفت‌قدرت درفرکانس‌های بالا موجب محدودشدن راندمان مدار الکترونیک‌قدرت می‌شود. بااستفاده از این نوع راه‌انداز، انرژی ذخیره‌شده درخازن گیت ماسفت‌قدرت در مقاومت‌گیت آن تلف می‌شود. جهت بازیابی این انرژی تلف‌شده ونیزکاهش تلفات راه‌اندازگیت، روش‌های راه‌اندازگیت رزونانسی معرفی شده‌اند. دریک راه‌اندازگیت رزونانسی، بااضافه‌شدن یک المان ذخیره‌کننده انرژی به‌صورت سری با مقاومت‌گیت، انرژی ذخیره‌شده درگیت ماسفت‌قدرت بازیافت می‌شود. راه‌اندازهای گیت رزونانسی نوع منبع‌جریان، ضمن شارژ و دشارژ خازن ورودی ماسفت‌قدرت توسط یک جریان تقریباثابت، سرعت‌کلیدزنی ماسفت را بالا می‌برد. به‌این‌ترتیب به‌کاربردن این راه‌اندازها به کاهش تلفات‌کلیدزنی ماسفت‌قدرت که تلفات غالب درمحدوده‌ی فرکانس‌های بالاست، کمک می‌نماید. تمایل به کاهش ولتاژتغذیه‌ی ریزپردازنده‌ها جهت کاهش اتلاف توان آن‌ها مطرح می‌باشد. همچنین درکاربردهای خاصی، سطح ولتاژتغذیه مدارقدرت به کمترازسطح ولتاژآستانه ماسفت می‌رسد. چنانچه همین سطح ولتاژپایین مربوط‌به مدارالکترونیک ویا مربوط‌به مدارقدرت، برای تغذیه مدار راه‌اندازگیت به‌کاررود، امکان روشن‌شدن مناسب ماسفت‌قدرت فراهم نمی‌شود و تلفات‌کلیدزنی آن بالا خواهدرفت. درچنین‌شرایطی طراحی یک راه‌اندازگیت باتوانایی افزایش سطح ولتاژگیت به مقداری بیش‌از ولتاژتغذیه مدار، اهمیت بسزایی دارد. همچنین باتوجه به‌این‌که بیشتر مدارات الکترونیک‌قدرت بیش‌ازیک کلیدقدرت دارند، استفاده از راه‌اندازهای گیت مجزا، افزایش حجم‌مدار و نیزپیچیدگی مدارکنترل را به‌همراه خواهدداشت. دراین پایان‌نامه ابتدا ساختار، نحوه‌عملکرد راه‌اندازگیت نوع منبع‌ولتاژ و نیز اثرات ناشی از افزایش فرکانس برتلفات این راه‌انداز بیان‌شده است. سپس راه‌اندازهای گیت رزونانسی و نیز راه‌اندازهای نوع منبع‌جریان که تاکنون برای کاربرد درفرکانس‌های بالا ارائه‌شده‌اند، مورد بررسی قرارگرفته‌اند. دراین پایان‌نامه، راه‌اندازهای گیت رزونانسی نوع منبع‌جریان پیشنهادی‌اول و دوم، به‌منظور کاهش تلفات راه‌اندازگیت و تلفات‌کلیدزنی ماسفت‌قدرت درفرکانس‌های بالا، ارائه‌شده‌اند. همچنین این دو راه‌انداز پیشنهادی با بهره‌گیری از ایده‌ی کلمپ اکتیو این امکان را فراهم نموده‌اند تا سطح ولتاژگیت ماسفت به‌مقداری بیش‌از ولتاژتغذیه مدار، افزایش یابد. راه‌اندازگیت پیشنهادی دوم، علاوه برکاهش دادن بیشتر تلفات هدایتی مدار راه‌انداز، قابلیت عملکرد درمحدوده‌ی وسیعی از تغییرات ضریب‌وظیفه ماسفت قدرت و نیز فرکانس کلیدزنی را دارد. راه‌اندازگیت پیشنهادی‌سوم نیز از نوع منبع‌جریان بوده و ضمن کاهش تلفات راه‌اندازگیت و تلفات‌کلیدزنی ماسفت‌قدرت، امکان راه‌اندازی دوکلید‌قدرت موجود دریک شاخه‌ی پل را با استفاده از خاصیت انتقال انرژی بین دو سلف تزویج‌شده، به‌وجود آورده‌است. صحت عملکرد هرسه راه‌اندازگیت پیشنهادی درقالب تحلیل‌های نظری و نتایج‌شبیه‌سازی اثبات‌گردیده‌است. علاوه‌برآن برای راه‌انداز پیشنهادی‌اول نتایج پیاده سازی‌عملی نیز ارائه‌شده‌است. کلمات‌کلیدی: 1-راه‌اندازگیت رزونانسی 2- تلفات راه‌اندازگیت 3- راه‌اندازگیت رزونانسی نوع منبع‌جریان 4- تلفات‌کلیدزنی