【字体:小 大】 |
半桥拓扑结构高端MOSFET驱动方案选择:变压器还是硅芯片? | |
http://www.dykf.com 2013/12/22 电源开发网 | |
在节能环保意识的鞭策及世界各地最新能效规范的推动下,提高能效已经成为业界共识。与反激、正激、双开关反激、双开关正激和全桥等硬开关技术相比,双电感加单电容(LLC)、有源钳位反激、有源钳位正激、非对称半桥(AHB)及移相全桥等软开关技术能提供更高的能效。因此,在注重高能效的应用中,软开关技术越来越受设计人员青睐。 另一方面,半桥配置最适合提供高能效/高功率密度的中低功率应用。半桥配置涉及两种基本类型的MOSFET驱动器,即高端(High-Side)驱动器和低端(Low-Side)驱动器。高端表示MOSFET的源极能够在地与高压输入端之间浮动,而低端表示MOSFET的源极始终接地,参见图1。当高端开关从关闭转向导通时,MOSFET源极电压从地电平上升至高压输入端电平,这表示施加在MOSFET门极的电压也必须随之浮动上升。这要求某种形式的隔离或浮动门驱动电路。与之不同,低端MOSFET的源极始终接地,故门驱动电压也能够接地参考,这使驱动低端MOSFET的门极更加简单。 变压器驱动方案 基于变压器的驱动方案包含两种主要类型,分别是单驱动(DRV)输入和双驱动输入,参见图2a及图2b。单驱动输入方案中,需要增加交流耦合电容(CC)来复位驱动变压器的磁通。这种方案中的门极-源极电压(VGS)幅度取决于占空比;另外,稳态时-VC关闭,而在启动时灌电流能力受限。这种方案需要快速的时间常数(LM//RGS * CC),防止由快速瞬态事件导致的磁通走漏(flux walking)。 另外,在设计过程中,也需要留意跳周期模式或欠压锁定(UVLO)时耦合电容与驱动变压器之间的振铃,需要使用二极管来抑制振铃。 单驱动输入包括带直流恢复的单驱动输入及带PNP关闭的单驱动输入。其中,带直流恢复的单驱动输入在稳态时VGS取决于占空比,但灌电流能力有限;后者则采用PNP晶体管+二极管的组合来帮助改善关闭(switching off)操作。此外,对单驱动输入而言,还不能忽略与门。如果与门驱动能力有限,要增加图腾柱(totem-pole)驱动器。 图2b显示的是双极性对称驱动输入方案的电路图。在这种方案中,两个输入(DRVA和DRVB)的极性相反,位置对称,故不同于单驱动输入方案,无需交流耦合电容。这种方案适合推挽型电路,如LLC-HB,但不适合非对称电路,如非对称半桥或有源钳位。这种方案需要注意线路/负载瞬态时的驱动变压器磁通,仍然需要强大的关闭能力。需要注意由泄漏电感导致的延迟,将泄漏电感减至最小,并使用双输出绕组而非单输出绕组。这种方案的另一项不足是关闭电阻(Roff)压降会导致额外的功率损耗。 图2:单驱动输入(a)与双驱动输入(b)变压器驱动方案电路对比。 综合来看,变压器驱动方案有多项优势,一是变压器比裸片更强固,二是对杂散噪声及高dV/dt脉冲较不敏感,当然,成本也可能更便宜。但其劣势是电路复杂,需要注意极端线路/负载条件及关闭模式,且需注意泄漏电感及隔离,还要留意汲电流能力是否够强。 硅芯片驱动方案
但在提供这些优势的同时,硅芯片驱动方案也有一些局限,如硅芯片内电压达600 V,需要高端隔离,且需要匹配高端驱动与低端驱动之间的传播延迟,避免使用任何不平衡变压器。此外,高端驱动器需要自举供电(bootstrap supply),并且需较高抗干扰能力,抑制高端驱动器的负电压影响。就高压隔离而言,需要在电路中增加脉冲触发器、电平转换器和同步整流触发器。其中,电平转换器维持高达600 V电压。就匹配延迟而言,在低端驱动器通道上加入延迟时间,从而补偿由脉冲触发器、电平转换器和同步整流触发器导致的高端延迟。而就高端驱动器的负电压而言,我们着重关注半桥支路来研究。连接至半桥支路的负载是电感型负载,类似于LLC半桥,或在最简单的情况下是同步降压结构。就降压转换器的实际工作来看,寄生电感和寄生电容等寄生参数随处可见,桥引脚上的负电压将会在驱动IC内部产生负电流,且负电压会在每个脉冲宽度增大,直到硅驱动器(或称驱动器IC)失效。若能在宽温度范围内将负脉冲保持在恰当的区域内,驱动器将正常工作;否则,驱动器将不会正常工作或可能损坏。 安森美半导体在-40℃至+125℃的完整温度范围内定义驱动IC的电气参数,相关的高端MOSFET硅驱动器(参见表1)具有强固的负电压特性。相比较而言,很多竞争对手仅在+25℃的环境工作温度下定义电气参数,并不总提供温度特征描绘,而且很多竞争对手从特征曲线中析取的电气参数值很可能未顾及工艺变化问题。 表1:安森美半导体用于高端MOSFET驱动的硅驱动器相互参照。 方案比较及安森美半导体建议 对于这两种方案而言,究竟应该选择哪种方案呢?实际上,如果精心设计的话,这两种方案都可以。安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商,我们的建议是选择硅芯片驱动方案,因为硅方案可以简化布线及简化设计,免去变压器需要手动插入的问题,及可免除变压器方案中诸如隔离被破坏、磁通走散、关闭后出来未预料到的振铃等问题。而且要支持纤薄设计的话, 扁平电源中变压器的高度是个问题,而硅芯片驱动方案则无此问题。 参考资料: |
|
作者:安森美半… 来源:网络 点击数: |
- | 【字体:小 大】 |