半桥拓扑结构高端MOSFET驱动方案

在节能环保意识的鞭策及世界各地能效规范的推动下，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。

图1：LLC半桥拓扑结构电路图。

所有软开关拓扑结构都应用带浮接参考引脚(如MOSFET源极引脚)的功率开关。在如图1所示的LLC半桥拓扑结构中，高端MOSFET开关连接至高压输入端，不能够采用主电源控制器来驱动，而需要另行选定驱动电路。这驱动电路是控制电路与功率开关之间的接口，将控制信号放大至驱动功率开关管所要求的电平，并在功率开关管与逻辑电平控制电路之间有要求时提供电气隔离。高端MOSFET驱动方案常见的有两种，一是基于变压器的方案，二是基于硅集成电路(IC)驱动器的方案。本文将分别讨论这两种半桥拓扑结构高端MOSFET驱动方案的设计考虑因素，并从多个角度比较这两种驱动方案。
变压器驱动方案
基于变压器的高端MOSFET驱动方案在设计过程中涉及到一些重要的考虑因素。例如，由于是对地参考点浮动驱动，如果设计中存在400 V功率因数校正(PFC)电路，则要保持500 V隔离。此外，要将漏电感减至，否则输出与输入绕组之间的延迟可能会损坏功率MOSFET。要遵守法拉第定律，保持V*T乘积恒定，否则会饱和。要保持足够裕量，防止饱和，尤其是在交流高压输入和瞬态负载的情况下。要使用高磁导率铁芯，从而将励磁电流(IM)降至。要保持高灌电流(sink current)能力，使开关速度加快。
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，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
与变压器驱动方案类似，硅集成电路驱动方案也包含单驱动输入和双驱动输入这两种类型，分别见图3a及图3b。不过，这些硅半桥驱动器既能用作高端MOSFET驱动器，也能用作低端MOSFET驱动器。硅芯片高端MOSFET驱动方案采用紧凑、高性能的封装，在单颗芯片中集成了驱动高端MOSFET所需的大多数功能，增加少数几个外部元件后就能提供快速的开关速度，提供闩锁关闭功能，输入指令与门驱动输出之间的延迟极低，功率耗散也较低。

图3：硅芯片驱动方案电路图：a双输入；b单输入。

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。
总结：
对于需要高能效的应用而言，采用软开关技术的半桥拓扑结构越来越受设计人员青睐。但要驱动半桥拓扑结构中的高端MOSFET，设计人员面临着是选择变压器或是硅芯片等不同驱动方案的选择。本文分析了不同驱动方案的设计考虑因素、相关问题及解决之道，并从多个角度对比了这两种驱动方案。尽管精心设计的话，这两种驱动方案都可以良好工作，建议选择诸如NCP5181这样的硅芯片驱动方案，在简化布线及设计的同时，也可避免变压器驱动方案的诸多问题，帮助设计人员缩短设计周期，加快产品上市进程。