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(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(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,。輸出級被設計成圖騰柱 (totem pole)電路結(jié)構形式,。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。
軟開關變換器驅(qū)動電路設計
升壓ZVT-PWM變換器是一種零電壓轉(zhuǎn)換軟開關變換器,，其結(jié)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(jié)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Iom5V；驅(qū)動脈沖上升時間tr和下降時間tf均
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(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 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(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(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(jié)構同樣適用于其它類型的軟開關變換器。