SUPERVISOR
Ehsan Adib,Hossein Farzanehfard
احسان ادیب (استاد مشاور) حسین فرزانه فرد (استاد راهنما)
STUDENT
Armaghan Abtahi
ارمغان ابطحی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Analysis and Improvement of Resonant and Current Source Gate Drivers
Increasing technology demand for higher power density in particular, size reduction of passive elements especially in computer systems, has led to the practical approach of increasing the switching frequency. As a consequence of increasing the switching frequency, both switching losses and gate drive losses increase. Therefore, the efficiency of Voltage Regulator Modules (VRMs) of microprocessors using Voltage Source Driver (VSD) degrades. The Resonant Gate Drivers (RGDs) are proposed in order to recover a portion of the gate energy which is dissipated in the charge and discharge paths of the input power MOSFET capacitance. However, since the inductor current of these drivers has a zero initial current, RGDs can hardly reduce the switching losses. For the purpose of improving the performance of RGDs, Current Source Drivers (CSDs) are proposed to provide a pre-charge and pre-discharge current for charging and discharging the gate capacitance of power MOSFETs. Therefore, the transition time of switching is reduced and switching losses are reduced. Most of CSDs suffer from the current diversion problem which causes extra switching losses. In this thesis, after a review of RGDs and CSDs, two new gate drivers are introduced to improve VRMs efficiency and particularly achieving significant reduction of turn-off switching losse. These new drivers resonantly turn on the power MOSFET and turn it off as CSDs. The basic idea behind these new gate drivers is that, the turn-on switching losses is negligible in comparison with the turn-off switching losses. This is due to the fact that in order to have a fast dynamic response in VRMs, the output inductor is designed in smaller size which leads to high ripple current and also, the power MOSFET turns on in nearly zero current through the parasitic inductors. The proposed gate drivers enjoy from reducing the number of control switches, in addition to a reduction of resonant inductor size. Also, the gate drivers current is independent of power MOSFET duty cycle due to the discontinuous inductor current. The current diversion problem exists in the first proposed gate driver which is completely eliminated in the second proposed gate driver. At last, an analytical switching loss model is employed to accurately calculate the turn-off switching loss and efficiency to optimally design the CS inductor. In this model, the required voltage and current equations are driven by dividing the turn-off transition into subintervals while considering the parasitic inductors. The numerical comparison is done between the losses of the two proposed gate drivers and other previously existing drivers. The results demonstrates the capability of the second proposed gate driver to reduce the time which takes for power MOSFET current to decrease from load current to zero. The simulation and implemented prototype results are used to validate the performance of the proposed gate drivers. Keywords Resonant Gate Driver, Current Source Driver, Gate Drive Loss, Switching Loss.
نیاز روزافزون تکنولوژی به‌ویژه در صنعت کامپیوتر، به افزایش چگالی توان و به خصوص کاهش سایز المان‌های غیر فعال مدار‌ها، سبب شده است تا افزایش فرکانس کلیدزنی به عنوان رویکردی عملی مورد توجه محققان قرار بگیرد. از طرفی افزایش فرکانس باعث افت راندمان در واحد‌های تنظیم کننده ولتاژ ریزپردازنده‌ها می‌شود. زیرا در مدار‌های راهانداز گیت ماسفت قدرت در VRM ها، با بالا رفتن فرکانس کلیدزنی، تلفات وابسته به فرکانس افزایش می‌یابد. از مرسوم‌ترین مدار‌های راهانداز، راهانداز گیت منبع ولتاژ است که به دلیل نوع شارژ و دشارژ خازن‌های ورودی ماسفت قدرت، تمام انرژی گیت تلف شده و سرعت کلیدزنی محدود می‌شود، از این رو برای را‌ه‌اندازی ماسفت قدرت در کاربردهای فرکانس بالا مناسب نیست. به‌این‌ترتیب راهاندازهای گیت رزونانسی معرفی شده‌اند تا از طریق یک المان ذخیره کننده انرژی همچون سلف، قسمتی از انرژی گیت را بازیابی کرده و راندمان مدار را بهبود بخشند. اما از آنجایی که خازن ورودی ماسفت قدرت با جریان اولیه صفر شروع به شارژ و دشارژ می‌نماید، سرعت کلیدزنی ماسفت قدرت محدود است. لذا با استفاده از ایده راهاندازهای گیت منبع جریانی که با جریان اولیه‌ای غیر صفر ماسفت را روشن و خاموش می‌کند، تلفات کلیدزنی نیز کاهش می‌یابد. اغلب راهاندازهای گیت منبع جریانی به دلیل افت ولتاژ سلف‌های پارازیتی و مقاومت گیت، از مشکل انحراف جریان گیت رنج می‌برند که باعث کاهش جریان مؤثر شارژ و دشارژ خازن‌های گیت ماسفت قدرت شده و تلفات کلیدزنی افزایش می‌یابد. در این پایان‌نامه ابتدا مقدمه‌ای بر راهانداز گیت منبع ولتاژ بیان شده و نحوه روشن و خاموش شدن ماسفت قدرت با این راهانداز بررسی گردیده است. در ادامه راهاندازهای گیت رزونانسی و منبع جریانی که تاکنون ارائه شده‌اند، مورد بررسی قرار گرفته است. سپس، با هدف بهبود راندمان واحد تنظیم کننده ولتاژ به ویژه کاهش بیشتر تلفات کلیدزنی خاموش شدن ماسفت قدرت، دو راهانداز گیت برای کلیدزنی ماسفت قدرت در VRM ها پیشنهاد شده است. مبنای ایده راهاندازهای پیشنهادی با تکیه بر این نکته است که تلفات روشن شدن ماسفت قدرت در مقابل تلفات خاموش شدن آن ناچیز است. چراکه در VRMها به دلیل اهمیت پاسخ دینامیکی، سلف فیلتر خروجی مبدل باک کوچک طراحی می‌شود که سبب افزایش ریپل جریان می‌گردد و در نتیجه جریان ماسفت قدرت در خاموش شدن بیش از روشن شدن آن می‌شود. بعلاوه وجود سلف‌های پارازیتی سبب نرم شدن گذر روشن شدن ماسفت قدرت می‌شود. بنابراین، دو راهانداز گیت پیشنهادی به صورت رزونانسی ماسفت قدرت را روشن و به صورت منبع جریانی آن را خاموش می‌نمایند. مزیت اصلی راهاندازهای گیت پیشنهادی در کاهش تعداد کلید کنترلی است. در ضمن، راهاندازهای پیشنهادی به دلیل گسسته شدن جریان سلف رزونانس، دارای سلف رزونانس با سایز کوچک‌تر هستند که برای هدف مجتمع سازی مدارات مناسب است. مزیت دیگر مستقل شدن عملکرد راهاندازهای پیشنهادی از ضریب وظیفه و فرکانس کلیدزنی است. اما راهانداز گیت پیشنهادی اول دارای مشکل انحراف جریان است که در راهانداز گیت پیشنهادی دوم، به دلیل تغییر در ساختار، این مشکل کاملاً برطرف شده است. در انتها با استناد بر آنالیز دقیق تلفات، گذر خاموش شدن ماسفت قدرت به چند زیر بخش‌تقسیم شده است. سپس معادلات ریاضی ولتاژ‌ها و جریان‌های لازم در هر قسمت بدست آمده و بر اساس آن، دو راهانداز گیت پیشنهادی با یک‌دیگر و با تعدادی از راهاندازهای موجود از نظر میزان تلفات مقایسه شده است. نهایتاً برتری راهانداز گیت پیشنهادی دوم از لحاظ کاهش تلفات کلیدزنی خاموش شدن ماسفت محرز گردیده است. چراکه برطبق محاسبات عددی صورت گرفته، راهانداز پیشنهادی دوم قادر است مدت زمانی که طول می‌کشد تا جریان درین سورس ماسفت قدرت از مقدار جریان بار به صفر برسد را کاهش دهد. علاوه بر آن به‌منظور بررسی صحت عملکرد دو مدار راهانداز گیت پیشنهادی، نتایج شبیه‌سازی و پیاده‌سازی عملی نیز در پایان آورده شده است. واژه‌های کلیدی: 1- راهانداز گیت رزونانسی 2- راهانداز گیت منبع جریانی 3- تلفات کلیدزنی 4- تلفات هدایتی