[发明专利]用于驱动电负载的电路和方法

说明书

描述了用于驱动一个或多个电负载的电路及对应的方法，该电路包括电流波形发生器(110)和无源滤波器(150)。该无源滤波器(150)的输入连接到电流波形发生器(110)，输出连接到每个要驱动的电负载(105)，其中该无源滤波器(150)被调谐以用于生成由对输入的电流波形的一个或多个谐波的调节所产生的电流波形。

技术领域

本发明大致涉及用于驱动具有随时间变化的电流波形的一个或多个电阻性的、电容性的、电感性的或混合性的电负载的电路和方法。

背景技术

通常使用电压和/或电流的放大器电路来驱动具有随时间变化的电流波形的电负载，该放大器电路配置为用于将低功率频率转换为足够强大的信号以正确地为负载供电。

根据要被供电的负载的类型，这些电路可以实现特征在于具有优秀保真度但低能量效率的线性类型的接线图(例如，那些用于例如，放大声音信号的接线图)、非线性图(例如，那些基于SMOS级或使用能够放大数字信号的BJT对的那些非线性图)、基于D类放大器的图或通常基于变压器、LC谐振器或其他谐振电路(例如E类或F类放大器)的谐振图。

当负载是由有源开关(例如，MOSFET、IGBT、HEMT晶体管或具有相当大栅电容的其他器件)的栅构成时(其中栅寄生电阻和栅寄生电感通常加到该有源开关的栅)，驱动是尤其重要的部分。

具体地，当有源开关用于高频开关电路领域(其中开关本身通常用于饱和或截止区)时，驱动是特别地成问题的。

实际上，在低频率中，起作用的电流大致上是可以忽略的，因为有源开关通常具有微小的寄生电容(例如小于几nF或几百pF)，而在高频率时，电流一般可以达到几十安培，因而引起驱动困难。

除了所需的高电流之外，上述有源开关的驱动经常导致大致上不可避免的相当大的能量耗散。

实际上，对于开关的每个接通/关断周期，开关的栅电容被适当地加载/卸载，并具有如下能量损失：

其中Ed指示耗散的能量，C指示开关的寄生电容，寄生电容通常是非线性的并且随驱动电流的变化而减小，V指示器件的最大驱动电流。

这些损耗增加了栅电阻损耗，与栅电阻成比例，并且与加载/卸载栅所需的电流的有效RMS值的平方成比例，因此与栅电容的平方成比例。可以进行类似的考虑来考虑电容的总栅负载。

通常地，当驱动频率超过1Mhz时，功率器件的驱动电路(也称驱动器)中的损耗变得很大，该损耗是瓦特级别的，对于更大的频率或者如果使用了特别受到寄生现象影响的开关(例如，MOSFET)损耗可以高达几十或几百瓦特，这使得进一步增加工作频率基本上是不可能的，并且具有器件损坏的风险。

通过将有源开关使用到基于硅或异质半导体(例如，SiC)的RF场或基于能够减少栅电容的III-V半导体(例如，GaN)的HEMD，可以部分地解决该问题。

然而，这些半导体通常具有高成本的缺点和其他缺点，这使得它们的驱动困难。例如基于高电压SiC的有源开关需要高栅电压以被驱动，结果部分放弃了减小栅电容所获得的好处。基于III-V类异质结(例如，GaN)的HEMT器件具有需要负电压以被驱动的问题，如果没有通过求助于共源共栅或多级类型架构，这使得它们与现有的功率硬件架构很不兼容，特别是在开关接线图中。

在射频(RF)领域中采用的用于解决具有高栅电容的驱动问题的可能的方案在于对电感性的或谐振的接线图的使用，在这些接线图中栅驱动大致上用变压器或谐振电路(例如，E类或F类、或简单的LC谐振器)来实现。如果适当地确定尺寸，除了由于寄生现象引起的损耗之外，这种类型的电路具有不消耗栅寄生电容中累积的能量，但是能够在每个周期中重新利用该能量的优点。