同步Buck新型高頻正弦波諧振驅動電路的研究

摘要：高效率、高開關頻率和高動態(tài)響應是近年來開關電源領域研究的重點，但開關頻率的提高伴隨著驅動損耗的急劇增加，特別是當開關頻率達到5 MHz以上等級時，傳統(tǒng)的方波驅動電路已無法正常工作。同步Buck是目前很常用的一種DC／DC拓撲，此處提出了一種新型正弦波諧振驅動電路，實現(xiàn)了對高邊開關管的驅動，且有效降低了高開關頻率下電路的驅動損耗。在輸入電壓為15 V，輸出電壓為5 V，輸出電流為2 A，開關頻率為6 MHz的同步Buck電路中，其效率能達85％以上。針對該驅動方式采用了ON-OFF電壓滯環(huán)的閉環(huán)控制策略，提高了電路的動態(tài)響應性能。
關鍵詞：驅動電路；正弦波諧振驅動；驅動損耗

1 引言
在電子信息技術不斷發(fā)展的背景下，小型化已成為各項技術不斷追求和發(fā)展的目標。為了減小電源所占的空間，提高便攜式設備的待機時間，模塊電源必須朝著小型化且高效率的方向發(fā)展。
提高MOSFET的開關頻率可降低電路的儲能需求，減小電感電容等無源器件的體積，進而減小開關電源的體積。但傳統(tǒng)的方波驅動電路只適用于兆赫茲以下等級的開關頻率，當開關頻率繼續(xù)增加時，傳統(tǒng)方波驅動電路的驅動損耗會急劇增加，嚴重影響整體電路的效率。當開關頻率達到5 MHz以上時，電路甚至無法正常工作。為了解決上述問題，此處提出了一種針對普通的同步Buck拓撲的雙管正弦波諧振驅動電路，解決了主開關管高邊驅動的問題，且針對所提出的驅動方式采用ON-OFF電壓滯環(huán)的閉環(huán)控制方式。

2 同步Buck電路及其驅動電路
2．1 同步Buck電路
圖1示出主電路所采用的同步Buck拓撲結構圖。與常規(guī)的Buck電路相比，同步Buck電路采用MOSFET VQ2替代了常規(guī)Buck電路中的續(xù)流二極管，降低了二極管續(xù)流時的導通損耗。

2．2 傳統(tǒng)的方波驅動電路
圖2示出目前應用廣泛的傳統(tǒng)方波驅動電路，通過VS1和VS2交替導通給VQ的輸入寄生電容Ciss不斷地充電和放電，從而實現(xiàn)VQ的開通和關斷。因此傳統(tǒng)方波驅動電路的驅動損耗可表示為：，其中，fs為VQ的開關頻率?？梢?，傳統(tǒng)方波驅動電路的驅動損耗是隨著開關頻率的增加而成比例增長的，不適用于開關頻率在兆赫茲以上等級的電路。

2．3 正弦波諧振驅動電路
圖3示出正弦波諧振驅動電路原理圖。

通過一個外接電感Lr在fs下與VQ的輸入寄生電容Ciss產生諧振，通過諧振所產生的正弦波來驅動VQ。因為諧振過程中能量一直在Ciss和Lr間傳遞，損耗主要由諧振電流流過前端圖騰柱輸出電阻Ri和MOSFET的柵極寄生電阻Rg而產生，因此相對于傳統(tǒng)的方波驅動電路，損耗大為減小。與傳統(tǒng)的方波驅動相比，正弦波諧振驅動有許多優(yōu)點：①由于驅動電路的能量一直在諧振電容和電感之間傳遞，大大減小了驅動電路和MOSFET柵極的損耗；②由于MOSFET的輸入電容是隨著諧振的過程而實現(xiàn)充放電的，因此MOSFET開通和關斷瞬間所需的電流明顯減小，避免了柵極寄生電感引起的振蕩；③在驅動雙開關管的電路拓撲時，正弦波諧振驅動電路無需復雜的死區(qū)控制電路，因為正弦波驅動有固有的死區(qū)時間。