基于升壓ZVTPWM的軟開關變換器驅動電路設計

在高頻PWM開關變換器中，為保證功率MOSFET在高頻、高壓、大電流下工作，要設計可靠的柵極驅動電路。一個性能良好的驅動電路要求觸發(fā)脈沖應具有足夠快的上升和下降速度，脈沖前后沿要陡峭；驅動源的內阻要足夠小、電流要足夠大，以提高功率MOSFET的開關速度；為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，柵極驅動電壓應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。而對于軟開關變換器，在設計驅動電路時，還需考慮主開關與輔助開關驅動信號之間的相位關系。

本文以升壓ZVT-PWM變換器為例，用集成芯片MC34152和CMOS邏輯器件設計了一種可滿足以上要求的軟開關變換器驅動電路。

MC34152

MC34152是一款單片雙MOSFET高速集成驅動器，具有完全適用于驅動功率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，并利用二極管實現雙向輸入限幅保護。輸出級被設計成圖騰柱 (totem pole)電路結構形式?；鶞孰妷簽?.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)。這種結構使該芯片具有強大的驅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，邏輯輸入到驅動輸出的傳輸延遲(上升沿或下降沿)僅為55ns，因而可高速驅動功率MOSFET。每個輸出級還含有接到VCC的一個內置二極管，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。

軟開關變換器驅動電路設計

升壓ZVT-PWM變換器是一種零電壓轉換軟開關變換器，其結構如圖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，S1為輔助開關，控制系統(tǒng)包括PWM信號產生電路及驅動電路。

圖1 ZVT-PWM變換器結構框圖

指標要求

變換器：開關頻率fS=100KHz；輸入電壓Vi=12V；輸出電壓Vo=48V；輸出功率Po=100W。

驅動電路：輸出峰值電流Iom5V；驅動脈沖上升時間tr和下降時間tf均

圖2 ZVT-PWM變換器驅動電路

從圖2可見，由PWM控制芯片輸出的脈沖調制波經CD4069反相整形后送至MC34152輸入端(引腳2)，由7引腳輸出，作為主開關的驅動信號。與此同時，從PWM控制芯片輸出的脈沖調制波經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經過二極管D2迅速放電至零，準備進入下一個周期。因此，經單穩(wěn)態(tài)電路，從CD4013的Q端輸出的脈沖信號經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，作為輔助開關的驅動信號。因為單穩(wěn)態(tài)電路RC網絡(由RP和C9組成)的時間常數為RP·C9，通過調節(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與主開關之間的相位關系，即延時問題，保證了主開關在恰當時刻開通和關斷，實現最佳的軟開關效果。同時，由于采用了高速集成驅動器件MC34152，提高了整個控制系統(tǒng)的品質。

參數計算

在ZVT-PWM變換器中，為了實現軟開關轉換，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產生諧振，為S創(chuàng)造零電壓開通條件?？梢?，兩開關的驅動信號之間須保持一定的相位關系，其延遲時間TD應滿足下式關系：

　　　(1)

在主開關完成零電壓開通后，為了不影響主開關的工作，輔助開關的工作時間不能太長，一般選擇為開關周期TS的1/10，結合式(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 VC(0)=0

∴

設充電時間為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

取C(C9)=150pF,由式(3)可得：

取R(RP)為10KW"50KW的可調電阻。通過調節(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,只需設計這三個元件參數即可。主電路的輔助電感Lr和輔助電容Cr應結合式(2)去考慮。

仿真與實驗結果

根據圖2電路，筆者進行了仿真與實驗，其結果分別如圖3(a)、(b)所示。圖中上、下方分別是主、輔助開關柵極的驅動信號波形，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變換器驅動電路信號波形圖

值得指出的是，根據主、輔開關對相位關系的不同要求，只需調整相應延時電路的有關參數，圖2所示的驅動電路結構同樣適用于其它類型的軟開關變換器。