再论栅极谐振驱动的理论依据和应用范围
众所周知,当频率较高时,由于MOSFET结电容较大,导致栅极驱动的负荷很大,驱动电路实现起来比较困难。在实际工程中为了解决这个问题,人们发明了谐振驱动。

所谓谐振驱动,就是通过在驱动回路中接入一个适当大小的电感,与结电容构成LC震荡电路。此时,驱动器每次只需补充LC回路损耗的能量,而不需要每次都提供达到规定驱动电压所需的全部能量。这样一来,只需要使用很小的驱动功率,就能产生高电压的驱动波形。

有关基础知识详见参考文献[1],在我之前的帖子《关于TC442X芯片在高频小特斯拉线圈上的应用探索 》[2]中提供了应用的具体案例。

关于让驱动器“每次补充LC回路损耗的能量”,其中基本的原理是:让驱动器的驱动频率(激励频率),与LC谐振回路的固有震荡周期基本一致。或者反过来,让栅极谐振回路的固有频率,接近激励信号的频率。这样构成的系统,就叫做栅极谐振驱动电路。

对于常见的中小型特斯拉线圈,它的激励是从初级线圈取出的反馈信号。如果用到栅极谐振驱动,整个TC中就会出现两个固有频率:栅极谐振频率和初次级线圈的谐振频率。在下面的讨论中,我们默认初次级线圈的震荡频率起主要作用,决定整个TC的工作频率。实际工程中并不仅有这一种情况。

理解上述原理并不困难,但是如果没有打好理论基础,就容易得到机械化的推演。比如,近期有同学根据上述原理,认为如果栅极LC回路的固有震荡周期发生变化(比如随着温度不同),不再与激励频率相等;或者反过来,激励频率发生变化(比如随着电弧长度不同),不再与栅极回路的固有震荡周期相等,则谐振驱动就会失效。很明显,持有这种观点的同学对原理有一定了解,能够进行简单机械的理论推演,但由于缺少钻研更多理论知识的耐心,在分析问题时发生了顾此失彼的错误。下面就重新为大家梳理一下有关知识,希望有助于各位同学对栅极谐振驱动原理和应用有更深入的认识。

我们从频域来分析。谐振驱动时的损耗来源包括栅极电阻,线路的铜损、漏感等等。为了简便起见,这里只考虑栅极电阻。下图是不同栅极电阻下的系统准BODE图。
2.png
上图的物理意义是频率与增益的关系。为了明显一些,我们把Y轴替换为实际电压。

根据MOS管的原理,要使其完全开通,是有一个TS VOL的电压范围的。电压在此之上,MOS管进入开关状态。

从图像可以看出,在10V的典型驱动电压之上,该系统拥有526KHz的完全开关带宽。
换句话说,在526KHz的带宽内,谐振驱动是有效的。并非“一旦失谐就没有驱动力”,而是有一个”有效范围“。并且仿真只是随便选取的一些参数。通过仔细的设计,能够得到比上图更好的工作带宽范围。

扩大带宽有若干方法,比如,可以提高增益/反馈量,效果是驱动电压升高。此时,在更大的频率区间内,驱动电压足以开通MOS管。另一种方法是降低Q值,但降低Q值就会增加损耗,通常需要同时提高增益。不论哪种方法,很可能电压会提高到MOS管的栅极不能承受的程度。比如,上图中谐振点增益对应的驱动电压就超过了20V。为了避免损坏MOS管,可以增加适当的钳位二极管。采用上述这些方法,就能在稳定性、电路复杂度、工作带宽等方面取得平衡。

本文探讨了两种极端情况:
(1)假设驱动频率完全固定,栅极谐振电路通过提供适当的增益和带宽来适应驱动频率,以便当栅极谐振电路的固有频率发生变化的时候,电路也能稳定可靠的工作;
(2)假设驱动频率很大程度上是由后级,也就是MOS管推动的初级线圈、次级线圈的固有震荡频率决定的,由于TC的使用环境和电弧形状等经常发生变化,所以驱动频率并不是固定的。此时,栅极谐振电路以自己的工作带宽,来适应TC的震荡频率变化。

实际上,栅极谐振驱动型TC的工作链条比较长,其中有栅极LC、初级、次级等环节影响其工作频率,每个环节带来多大影响,与环路增益、Q值等都有关系,在某些特定的情况下,甚至可以出现以某个谐振频率为主,根据差拍频率产生断续震荡的现象。但是世上无难事,TC毕竟是工程问题,它的整个工作流程都可以用理论加以描述和预测,只要大家以积极认真的态度对待技术问题,像栅极谐振驱动电路这样的应用方法就能不断推陈出新,取得良好的效果。

参考文献
[1]    
attachment icon 利用附加电感实现高频功率MOSFET谐振栅极驱动.pdf 130.66KB PDF 131次下载 预览
[2]    文章链接https://www.kechuang.org/t/79441

[修改于 4 年前 - 2017-07-30 23:53:26]

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来自:高压与强磁 / 特斯拉线圈
 
1
zenglei421
3年8个月前
51楼
看了这个帖子,我想起来高频TC,两级CE结构的,广义的讲算不算是谐振状态下的?或者说奥科MX500电烙铁的图纸,好像也是两级CE结构的,可以理解为谐振频率驱动么?
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rb-sama作者
3年8个月前
52楼
引用 zenglei421:
看了这个帖子,我想起来高频TC,两级CE结构的,广义的讲算不算是谐振状态下的?或者说奥科MX500电烙铁的图纸,好像也是两级CE结构的,可以理解为谐振频率驱动么?
如果第一级CE输出匹配的时候,考虑到栅极电容作为负载,应当一般情况是处于谐振状态下。
但是以高频烙铁的工作频率来看,用普通MOS驱动电路就足以胜任了哦。
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zenglei421
3年8个月前
53楼
奥科的哪个是15.6MHZ,算很高频了,估计普通的驱动不行
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rb-sama作者
3年8个月前
54楼
引用 zenglei421:
奥科的哪个是15.6MHZ,算很高频了,估计普通的驱动不行
= =。还以为是400K的那种
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月下孤狼
3年8个月前
55楼
新建文件夹IMG_20170602_174734.jpg
采用了谐振栅极驱动技术实现的13.6M半桥丁类功率放大器
新建文件夹IMG_20170613_114449.jpg
半桥输出通过一个L型阻抗匹配网络后驱动等离子火焰谐振圈负载
IMG_20170701_131550.jpg

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   要想驱动管子(不管是射频管还是像540这样的普通MOS管)到一个较高的频率(超过2M),谐振驱动电路是必须的,谐振驱动电路这不是需要讨论的,因为这是必须采用的,不用是不可能驱动到10M的。在这种频率下,传统逻辑门做的反相器的速度显得太慢,必须采用变压器或者传输线变压器做的反相器来实现180°相位差的两路信号。
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  其次,功率电子技术说的半桥,全桥结构在10M+的频率上已经不太适用,上图那个方波的波形用的就是功率电子技术说的半桥结构输出的,那个桥虽然可以很好地工作(对于很多人来说可能很满足了),但不堪一击。在工作过程中的出现的任何意外都可以轻松导致它损坏。尽管如此,他在1-5M范围内依然具有桥类结构的各种优势(意思是超过10M的桥不论是功率特性还是效率等,都不如其他结构,尽管可以造出来,我也造出来了,但意义不大)
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  

谐振是必须的,射频功率放大器的各个级之间的匹配大多是窄带的,不是什么东西都是模块大法好的(但是像DRSSTC这种本身电流就是要达到几百A的,用大模块是没有什么错误的,是非常正确的做法。但是如果我看到用大模块谐振驱动然后玩高频的,╮(╯▽╰)╭),有的人做这些东西还试图用几百A的大管子去做那是不现实的。要出1MHZ,用普通不谐振驱动的方法,用音频D类功率放大器专用MOS管可以轻松实现。现在最新的MOS管大多就是用在频率几百K到1.2M这个区间,并没有什么问题。说白了爱好者领域是妖魔化了栅极电容,这玩意没那么恐怖,是不合理的布线带来的较大的寄生电感导致了栅极电容的妖魔化。

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  那篇论文我在三年前看过,我大一的时候做那个5MHZ TC的时候参考过,然而这种东西为什么没办法应用起来也是显而易见:低频领域用经典驱动,不扯什么谐振;高频领域有高频的一套东西,高频功率放大器大部分都是用了谐振驱动的,随便从里面找一个LC阻抗匹配,你也可以说是因为谐振所以电压升高了(大多数TC爱好者喜欢用这种描述)。然而射频行业内的人根本不会提到谐振驱动这个词,因为谐振驱动在高频领域已经是默认的东西了。。。至于功率电子技术领域,随着技术发展,也不会提到了。。。PWM技术是不允许用什么谐振驱动的,在天朝人研究谐振驱动一个MOS大模块的时候,人家老外做的砷化镓模块轻轻松松可以驱动到10MHZ。。。
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
总结一句,要看谐振驱动技术,去看看射频功率放大器的书籍,里面讲的很详细,当然里面不会说这个是谐振驱动,而是用更专业的术语,比如【LC阻抗变换器】----爱好者非要描述成“因为谐振了所以电压上去了。也没啥问题,简单形象。

/////////////////////////////////////////////留一个问题(参考某知乎回答电力这块的用户的风格)//////////
IMG_20170701_131550.jpg
小电珠参数3V 350毫安,图中所示为刚好工作在额定亮度状态。在上图所示状态是这个亮度,那么问把它焊接在放电端是否亮?亮度如何变化?此时流过它的电流是否依然是350毫安(考虑屈服后的电阻变化)。
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zenglei421
3年8个月前
56楼
谐振栅极驱动技术实现的13.6M半桥丁类功率放大器   请问您用的什么型号的MOS?射频专用的?还是普通的540?
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rb-sama作者
3年8个月前 修改于 3年8个月前
57楼
引用 月下孤狼:
新建文件夹IMG_20170602_174734.jpg
采用了谐振栅极驱动技术实现的13.6M半桥丁类功率放大器
新建文件夹IMG_20170613_114449.jpg
半桥输出通过一个L型阻抗匹配网络后驱动等离子火焰谐振圈负载
IMG_20170701_131550.jpg

////……

Nice work!
谢谢分析你的经验和图片。
PA系统里,很多时候是把栅极电容当作阻抗匹配的一部分来考虑的。
你提出的问题很有意思,我试着分析下,错了请指正哈!
1:图中小灯泡串联在线圈回路中,其寄生电感Lr与线圈电感L,及线圈寄生电容C共同构成谐振回路。
通过磁耦合由初级线圈与Cds以及附加电容组成的谐振回路,补充能量。
若把整个次级线圈Lr&L+C作为一个谐振系统来看,恰好谐振的时候VSWR=1,阻抗完全匹配,并且可以认为放电点在波腹位置。
此时放电点电压振幅最大,如果小灯泡串联在回路的任何位置,不考虑其寄生电容影响,亮度与电流呈线性关系,那么亮度会不变。
如果与问题中一样焊接在放电点尖端,由于小灯泡Lr Cr寄生参数规模相对较小,而相对低频下,相当于对次级LC谐振回路的波幅点引入了一个小的对地电容Cr。工作频率不变的情况下,这个电容可能会改变整体次级线圈的输入驻波比。
不考虑空气电离,考虑到Cr非常小,并且由于高Q下,频偏对电压幅度影响很大,焊接在顶端的灯泡可能会非常微弱的发光,也有可能不发光。
-
2:假设若略微调整频点,或略微调整次级LC,使波腹重新出现在小灯泡输入点位置,由于空气并非完全绝缘。
在高频高压电场的作用下,小灯泡灯丝内的稀薄气体会很容易产生电离,若输入功率够大,炽热的等离子体会烧穿小灯泡的玻璃外壳。此时就不好谈论亮不亮的问题了,我想大概算是亮的吧2333。
-
问题接力:
假设月下兄的次级线圈为40uH,顶端那卷粗铜丝电感量为5uH,那么如果把小灯泡串联在粗铜丝起始0点位置,和粗铜丝卷中心1/2位置,次级寄生电容5pF,小灯泡寄生电容1pF,亮度与有效电流呈线性,小灯泡的亮度会发生如何变化?
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rb-sama作者
3年8个月前
58楼
引申阅读:
孤狼兄提到的国外爱好者制作的双极ClassE SSTC。
1481874966_1316_FT178502_img_0260.jpg
驱动板很简单,使用一片STM32F3 series mcu+ ucc27xx驱动芯片作为信号/驱动源。
对两片GaN MOS进行推动,两路输出功率拓扑结构为双极ClassE。(注意是直推6.78M)
1481874966_1316_FT178502_img_0168.jpg
使用GaN氮化镓MOS管设计,体积非常小,型号为GS66508T。
这个管子在国内的报价貌似三百多rmb/pcs,之前关注过,真的体现出基础材料的区别啊。
项目的原理图与PCB文件原作者分享在Github上
https://github.com/westonb/ionophoney
有兴趣的朋友可以下载学习。
(PS:据说THAAD系统也得益于GaN元件的小体积、大功率等特性,国内半导体行业在新材料以及制程这一块真的还有很多要追赶的地方。)
同样与月下同学说的一样,相比国外TC爱好者的玩法,国内爱好者可以玩的新东西还是很多的。要学习的地方也是不少。
不要仅限于堆更大的模块,其实小东西也能玩出大精彩。
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虎哥
3年8个月前 修改于 3年8个月前
59楼
月下孤狼引入了本帖第三种分析方法,即阻抗分析法。射频放大器的设计基础是前级输出与后级输入的阻抗匹配,现实中由于传输线的存在以及产品上的方便,通常统一到50Ω。根据管子的输入阻抗,在圆图上可以比较方便的确定需要加入的电抗及其拓扑结构。通过一些方法(通俗的讲就是很多电感电容和不理想的连线以及变压器),也可以实现宽带的匹配。
在高频小功率领域是使用桥式结构的,尤其是新近的芯片。连运放都有10GHz的,出个别的东西也正常。只不过不一定叫这个名字。现在1G以下大功率(kW级别)放大器已经普遍使用半导体,2.4G微波炉也有单支300W以上的器件可供选择,不过目前尚需传输线变压器。
那么,可否完全依赖阻抗参数来设计TC呢?这方面各位可以做个典型案例,弄个教程。
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zenglei421
3年8个月前
60楼
引用 rb-sama:
引申阅读:
孤狼兄提到的国外爱好者制作的双极ClassE SSTC。
1481874966_1316_FT178502_img_0260.jpg
驱动板很简单,使用一片STM32F3 series mcu+ ucc27xx驱动芯片作为信号/驱动源。
对……
能给个原文链接么?搜不到
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ry7740kptv
3年8个月前
61楼
后面换成辣么大的电感看起来好怪异……
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1176764177
3年8个月前
62楼
引用 ry7740kptv:
后面换成辣么大的电感看起来好怪异……
看起来那2个电感是电源的扼流电感
TC初级是选频回路的样子
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2010/05/02注册,15 天前活动

曾是化学爱好者转到火箭爱好者最后变成电子爱好者的科创爱好者。

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