基于MC34152的軟開關(guān)變換器高速驅(qū)動電路設(shè)計

摘  要：本文介紹了高速雙MOSFET驅(qū)動器MC34152的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及由MC34152與CMOS邏輯器件組成的軟開關(guān)變換器驅(qū)動電路的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動電路；功率MOSFET；開關(guān)電源；變換器

引言
在高頻PWM開關(guān)變換器中，為保證功率MOSFET在高頻、高壓、大電流下工作，要設(shè)計可靠的柵極驅(qū)動電路。一個性能良好的驅(qū)動電路要求觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠快的上升和下降速度，脈沖前后沿要陡峭；驅(qū)動源的內(nèi)阻要足夠小、電流要足夠大，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，柵極驅(qū)動電壓應(yīng)高于器件的開啟電壓；為防止誤導通，在功率MOSFET截止時最好能提供負的柵-源電壓。而對于軟開關(guān)變換器，在設(shè)計驅(qū)動電路時，還需考慮主開關(guān)與輔助開關(guān)驅(qū)動信號之間的相位關(guān)系。本文以升壓ZVT-PWM變換器為例，用集成芯片MC34152和CMOS邏輯器件設(shè)計了一種可滿足以上要求的軟開關(guān)變換器驅(qū)動電路。
　　
MC34152
MC34152是一款單片雙MOSFET高速集成驅(qū)動器，具有完全適用于驅(qū)動功率MOSFET的兩個大電流輸出通道，且具有低輸入電流，可與CMOS和LSTTL邏輯電路相容。

MC34152的每一通道包括邏輯輸入級和功率輸出級兩部分。輸入級由具有最大帶寬的邏輯電路施密特觸發(fā)器組成，并利用二極管實現(xiàn)雙向輸入限幅保護。輸出級被設(shè)計成圖騰柱 (totem pole)電路結(jié)構(gòu)形式。基準電壓為5.7V的比較器與施密特觸發(fā)器輸出電平的邏輯判定決定了與非門的輸出狀態(tài)(同相或反相輸出)，進而決定了兩個同型輸出功率管的“推”或“挽”工作狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)使該芯片具有強大的驅(qū)動能力及低的輸出阻抗，其輸出和吸收電流的能力可達1.5A，在1.0A時的標準通態(tài)電阻為2.4W，可對大容性負載快速充放電；對于1000pF負載，輸出上升和下降時間僅為15ns，邏輯輸入到驅(qū)動輸出的傳輸延遲(上升沿或下降沿)僅為55ns，因而可高速驅(qū)動功率MOSFET。每個輸出級還含有接到VCC的一個內(nèi)置二極管，用于箝制正電壓瞬態(tài)變化，而輸出端要接100KW降壓電阻，用于保證當VCC低于1.4V時，保持MOSFET柵極處于低電位。
　　
軟開關(guān)變換器驅(qū)動電路設(shè)計
升壓ZVT-PWM變換器是一種零電壓轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變換器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。在主電路中，S為主開關(guān)，S1為輔助開關(guān)，控制系統(tǒng)包括PWM信號產(chǎn)生電路及驅(qū)動電路。

             圖1  ZVT-PWM變換器結(jié)構(gòu)框圖


指標要求
變換器：開關(guān)頻率fS=100KHz；輸入電壓Vi=12V；輸出電壓Vo=48V；輸出功率Po=100W。
驅(qū)動電路：輸出峰值電流Iom<1A；輸出峰值電壓Vom>5V；驅(qū)動脈沖上升時間tr和下降時間tf均<50ns；驅(qū)動脈沖上升沿和下降沿的傳輸延遲(tPLH和tPHL)均<150ns。

電路設(shè)計
為滿足指標要求，主、輔開關(guān)均選用MTM15N20，為功率MOSFET，其主要參數(shù)為：VDS=200V，ID=15A，VGS(th)=2V，RDS(ON)＝0.12W，Ciss=2000pF，Coss=700pF，Crss=200pF。設(shè)增益因子A=芕DS/芕GS=10，考慮到從柵極到漏極電容Crss引入的密勒效應(yīng)，則柵極回路總輸入電容為：
Cin≈Ciss+A.Crss=2000+10×200=4000pF        
要求輸入電容電壓在tr(50 ns)時間內(nèi)柵極電壓達到10V，則柵極輸入電流為：
Ig=Cin.dv/dt=Cin.VGS/tr=4000×
10-12.10/50×10-9=0.8A
從MC34152的性能參數(shù)可見，采用MC34152可滿足MTM15N20對驅(qū)動源內(nèi)阻小、電流大的要求。

主開關(guān)S的觸發(fā)信號可由集成PWM芯片產(chǎn)生，例如常用的TL494、LM3524等。適當調(diào)整死區(qū)電壓，限制開關(guān)脈沖的最大寬度，以保證有足夠的時間安插輔助開關(guān)S1的觸發(fā)信號。輔助開關(guān)S1的觸發(fā)信號可采用D觸發(fā)器(如CD4013)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，結(jié)合邏輯反相器(如CD4069)對來自PWM芯片的脈沖進行波形變換而獲得。綜合以上考慮, ZVT-PWM變換器的驅(qū)動電路如圖2所示。

                                  圖2 ZVT-PWM變換器驅(qū)動電路

從圖2可見，由PWM控制芯片輸出的脈沖調(diào)制波經(jīng)CD4069反相整形后送至MC34152輸入端(引腳2)，由7引腳輸出，作為主開關(guān)的驅(qū)動信號。與此同時，從PWM控制芯片輸出的脈沖調(diào)制波經(jīng)CD4069另一反相器整形后，輸入到CD4013的CLK端(3引腳)作為時鐘信號。信號上升沿觸發(fā)，使Q端(1引腳)輸出高電平，經(jīng)過可變電阻RP對電容C9充電。當充電電壓達到VCC/2時，復位端起作用，使D觸發(fā)器復位，Q端電位變成低電平，電容C9經(jīng)過二極管D2迅速放電至零，準備進入下一個周期。因此，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路，從CD4013的Q端輸出的脈沖信號經(jīng)CD4069再一次反相整形后送至MC34152的另一輸入端(4引腳)，由5引腳輸出，作為輔助開關(guān)的驅(qū)動信號。因為單穩(wěn)態(tài)電路RC網(wǎng)絡(luò)(由RP和C9組成)的時間常數(shù)為RP·C9，通過調(diào)節(jié)可變電阻RP的大小，即可改變輸出脈沖的寬度，從而解決了輔助開關(guān)與主開關(guān)之間的相位關(guān)系，即延時問題，保證了主開關(guān)在恰當時刻開通和關(guān)斷，實現(xiàn)最佳的軟開關(guān)效果。同時，由于采用了高速集成驅(qū)動器件MC34152，提高了整個控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

參數(shù)計算
在ZVT-PWM變換器中，為了實現(xiàn)軟開關(guān)轉(zhuǎn)換，在 S將要開通之前先開通S1，以激發(fā)輔助電感Lr和輔助電容Cr產(chǎn)生諧振，為S創(chuàng)造零電壓開通條件。可見，兩開關(guān)的驅(qū)動信號之間須保持一定的相位關(guān)系，其延遲時間TD應(yīng)滿足下式關(guān)系：
                 (1)

在主開關(guān)完成零電壓開通后，為了不影響主開關(guān)的工作，輔助開關(guān)的工作時間不能太長，一般選擇為開關(guān)周期TS的1/10，結(jié)合式(1)可得：
              (2)

而對于單穩(wěn)態(tài)電路，在充電期間，電路方程為：

設(shè)  VC(0)=0              
∴ 
設(shè)充電時間為τ，則：

∴   τ=-RCln0.5≈0.69RC           (3)
考慮到延遲時間為TD=1/10，而充電時間即為所需的延遲時間，則
    =1μs
取C(C9)=150pF,由式(3)可得：
,

取R(RP)為10KW~50KW的可調(diào)電阻。通過調(diào)節(jié)R(RP)可以滿足式(1)對TD的要求。
二極管D2可選用普通二極管IN4148。

由于驅(qū)動電路核心部分MC34152為集成組件，外圍電路元件僅有RP、C9及D2，因此,只需設(shè)計這三個元件參數(shù)即可。主電路的輔助電感Lr和輔助電容Cr應(yīng)結(jié)合式(2)去考慮。
　　
仿真與實驗結(jié)果
根據(jù)圖2電路，筆者進行了仿真與實驗，其結(jié)果分別如圖3(a)、(b)所示。圖中上、下方分別是主、輔助開關(guān)柵極的驅(qū)動信號波形，脈沖的前后沿陡峭，其上升和下降時間以及傳輸延遲均達到指標要求。

 
                    (a)仿真波形   



                            (b)實驗波形 

             圖3  ZVT-PWM變換器驅(qū)動電路信號波形圖  

                                 
值得指出的是，根據(jù)主、輔開關(guān)對相位關(guān)系的不同要求，只需調(diào)整相應(yīng)延時電路的有關(guān)參數(shù)，圖2所示的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)同樣適用于其它類型的軟開關(guān)變換器。
　　
參考文獻
1. MC34152,MC33152,NCV33152 High Speed Dual MOSFET Drivers. Semiconductor Components Industries, LLC. October,2004-Rev.7
2. 王志強等(譯.著).開關(guān)電源設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005
3. 慕丕勛，馮桂林.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實用技術(shù) [M].北京：科學出版社，2005