توصيفگر ها :
راه اندازهاي گيت منبع جرياني , راه اندازهاي گيت رزونانسي , مشكل انحراف جريان , راه اندازهاي گيت فركانس بالا
چكيده فارسي :
با پيشرفت تكنولوژي ساخت ترانزيستورها و توانايي آن ها براي كاركرد در فركانس هاي بالا و نياز روز افزون تكنولوژي به افزايش چگالي توان باعث شده است كه افزايشفركانسكليدزني كه منجر به كم شدن حجم المان هاي غيرفعال مدار مي شود، مورد توجه قرار گيرد. يكي از معايب اصلي افزايش فركانس كليدزني افزايش تلفات كليدزني و همچنين افزايش تلفات گيت است. از متداول ترين راه اندازهاي گيت، را ه انداز منبع ولتاژ است كه اين روش باعث ايجاد تلفات در مقاومت گيت ماسفت قدرت، در گذر روشن و خاموش شدن م ي شود و تلفات ايجاد شده در اين را ه انداز با افزايش فركانس كليدزني افزايش مي يابد. پس اين را ه انداز براي فركانس هاي بالا مناسب نم ي باشد. نوع ديگري از را ه اندازها كه تلفات گيت كمتري دارند و قادرند انرژي خازن گيت-سورس ماسفت را در گذر خاموش شدن بازيابي كنند را ه اندازهاي گيت رزونانسي هستند. در اين راه اندازها جريان شارژ گيت كليد قدرت از صفر شروع مي شود كه باعث افزايش تلفات كليدزني ماسفت قدرت مي گردد. لذا با استفاده از راه اندازهاي منبع جريان كه جريان آنها از صفر شروع نمي شود مي توان مشكل تلفات كليدزني ماسفت قدرت را بهبود داد. در راه اندازهاي منبع جرياني به علت وجود مقاومت ذاتي گيت و سلف هاي پارازيتي، مشكل انحراف جريان در گذر روشن و خاموش شدن وجود دارد كه سرعت كليدزني را محدود و تلفات كليدزني را افزايشمي دهد. در كاربردهاي بسيار ولتاژ پايين، به علت پايين بودن سطح ولتاژ براي تحريك گيت ماسفت قدرت نياز است كه راه اندازهاي منبع جرياني، قادر به افزايش ولتاژ گيت بيشتر از منبع ولتاژ خود باشد تا سطح ولتاژ لازم براي تحريك گيت فراهم شود. قابليت افزايش ولتاژ گيت سبب كمتر شدن مقدار مقاومت درين-سورس ماسفت قدرت در زمان روشن بودن مي شود كه كاهش تلفات هدايتي را در پي دارد. در اين پايان نامه بعد از بررسي و ارزيابي راه اندازهاي گيت رزونانسي و منبع جرياني، سه راه انداز منبع جرياني پيشنهاد شده است كه قادر به هستند. راه اندازهاي ارائه شده در گذر كليدزني مانند يك منبع جريان ايده آل عمل VRM حل مشكل انحراف جريان و بهبود بازده مبدل باك مي كنند. بنابراين، اثر ولتاژ القاء شده روي سلف هاي پارازيتي از بين مي رود و جريان گيت در گذر كليدزني منحرف نمي شود. براي محاسبه دقيق تلفات كليدزني و تلفات راه انداز و همچنين طراحي بهينه سلف راه انداز از يك مدل تحليلي استفاده شده است. در اين مدل با در نظر گرفتن سلف هاي پارازيتي، گذر كليدزني ماسفت قدرت به زير بخش هايي تقسيم شده است كه معادلات ولتاژها و جريان ها براي هر زير بخشمحاسبه مي شود. با بدست آوردن معادلات جريان ها و ولتاژها، تلفات كليدزني ماسفت قدرت و تلفات راه انداز محاسبه شده است. در نهايت با رويكرد كمترين تلفات، راه اندازهاي پيشنهادي طراحي و با راه اندازهاي ارائه شده تاكنون مقايسه شده اند. راه انداز منبع جرياني ناپيوسته پيشنهادي اول با سه كليد كنترلي و حل مشكل VRM انحراف جريان در گذر خاموش شدن، در مقايسه با راه اندازهاي قبل تعداد المان كمتري دارد. همچنين اين راه انداز قادر است بازده مبدل باك را در حدود % 6 نسبت به راه انداز منبع ولتاژ بهبود دهد. براي حل مشكل انحراف جريان در گذر روشن شدن و كم كردن تعداد المان راه انداز پيشنهادي اول، در فصل پنجم راه انداز پيشنهادي دوم با تعداد دو كليد كنترلي ارائه شده است كه قادر به حل مشكل انحراف جريان در گذر روشن و خاموششدن و قابليت افزايش ولتاژ گيت است. اين راه انداز داراي جريان پيوسته است كه تلفات راه انداز را بالا مي برد. بنابراين، راه انداز پيشنهادي سوم ارائه شده است كه قادر به حل مشكل انحراف جريان در گذر روشن و خاموش شدن و قابليت افزايشولتاژ گيت، با تعداد المان كم(يك كليد كنترلي)، نسبت به را در VRM ساير راه اندازها است. همچنين راه انداز پيشنهادي سوم با كاهش تلفات كليدزني و هدايتي ماسفت قدرت قادر است راندمان مبدل باك 1MHz حدود % 8 نسبت به راه انداز منبع ولتاژ، بهبود دهد. بعد از تحليل هر راه انداز پيشنهادي، نتايج شبيه سازي و نمونه آزمايشگاهي در فركانس براي تاييد صحت عملكرد هر راه انداز آورده شده است.
چكيده انگليسي :
Growing demand for higher power density and size reduction of passive elements have led to microprocessor power supplies to operate at higher frequencies. However, this increases the switching and gate drive losses. Buck voltage regulator module (VRM) is the most common microprocessors power supply while conventional voltage source driver (VSD) is used to drive the power MOSFET in the VRM. The operating frequency of VSD is limited due to the switching loss caused by the low effective gate current and high gate drive loss. In addition, the current diversion problem reduces the effective gate current due to voltage across the parasitic elements such as the gate resistance and the source inductance. The gate drive loss is mitigated by recovering most of the gate energy in the resonant gate drivers (RGDs), but similar to VSD, the switching loss maintains due to zero initial gate current to charge/discharge gate capacitors. In order to reduce the switching loss by initial current and the gate drive loss, simultaneously, current source gate drivers (CSDs) are proposed in recent years. However, they suffer from the current diversion due to parasitic elements which can affect the switching loss at switching transitions. In ultra-low voltage applications, due to the low input voltage level, the power MOSFET gate voltage should be raised to a higher level than the input voltage. Higher gate voltage leads to lower MOSFET ON-resistance which would considerably reduce the conduction loss. In this thesis, after a review of RGDs and CSDs, three new current source gate drivers are introduced to overcome the current diversion and improve the VRMs efficiency. The proposed gate drivers act as an ideal current source and thus, the effect of induced voltage across the parasitic components is removed and the gate current does not deviate during the switching transitions. Finally, an analytical loss model is utilized to precisely calculate the switching and gate drive loss and optimally design the gate drive inductor. In this model considering the parasitic inductance, the switching transitions are divided into subintervals to obtain the voltage and current equations. By calculating the switching and gate drive losses, a comparison is performed between the proposed gate drivers and other previously existing drivers. The first proposed discontinuous CSD without current diversion during turn-off transition, has lower components compared to other CSDs. Also, this CSD is able to improve the buck VRM efficiency by about 6% in comparison with conventional gate driver. To solve the current diversion during turn-on transition and reduce the number of components, the second proposed continuous CSD is proposed. This CSD with two control switches and voltage boosting capability, can overcome the current diversion during turn-on and off transitions. The continuous gate current increases the gate drive loss and thus, the third proposed discontinuous CSD is proposed. This CSD with only one control switch and voltage boosting capability is able to eliminate current diversion during both turn-on and off transitions. The efficiency comparison results demonstrate the capability of the third proposed gate driver to reduce the switching and conduction losses of the power MOSFET with low number of components (one control switch). The second and third proposed CSDs have improved the buck VRM efficiency by about 7.2% and 8%, respectively, in comparison with the conventional gate driver. The proposed gate drivers are analyzed and the theoretical analysis is verified by the simulation and experimental results at 1MHz.
