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基于MC34152的軟開關變換器高速驅(qū)動電路設計

作者: 時間:2007-07-16 來源:網(wǎng)絡 收藏

摘要:本文介紹了雙MOSFET的內(nèi)部結構、工作原理以及由與CMOS邏輯器件組成的軟電路的設計。
關鍵詞電路;功率MOSFET;電源;

引言
在高頻PWM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(qū)動電路。一個性能良好的驅(qū)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(qū)動源的內(nèi)阻要足夠小、電流要足夠大,以提高功率MOSFET的開關速度;為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通,柵極驅(qū)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(qū)動電路時,還需考慮主開關與輔助開關驅(qū)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(qū)動電路。
  
MC34152

MC34152是一款單片雙MOSFET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(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。
  
軟開關變換器驅(qū)動
升壓ZVT-PWM變換器是一種零電壓轉(zhuǎn)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(chǎn)生電路及驅(qū)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(qū)動電路:輸出峰值電流Iom1A;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。


為滿足指標要求,主、輔開關均選用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。設增益因子A=VDS/VGS=10,考慮到從柵極到漏極電容Crss引入的密勒效應,則柵極回路總輸入電容為:
Cin≈Ciss+A.Crss=2000+10200=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
10-12.10/5010-9=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,限制開關脈沖的最大寬度,以保證有足夠的時間安插輔助開關S1的觸發(fā)信號。輔助開關S1的觸發(fā)信號可采用D觸發(fā)器(如CD4013)構成的單穩(wěn)態(tài)電路,結合邏輯反相器(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,作為輔助開關的驅(qū)動信號。因為單穩(wěn)態(tài)電路RC網(wǎng)絡(由RP和C9組成)的時間常數(shù)為RPC9,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(xiàn)最佳的軟開關效果。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??梢?,兩開關的驅(qū)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
=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應結合式(2)去考慮。
  
仿真與實驗結果
根據(jù)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(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、輔開關對相位關系的不同要求,只需調(diào)整相應延時電路的有關參數(shù),圖2所示的驅(qū)動電路結構同樣適用于其它類型的軟開關變換器。
  
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).開關電源設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005
3. 慕丕勛,馮桂林.開關穩(wěn)壓電源原理與實用技術 [M].北京:科學出版社,2005



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