使用單輸出柵極驅動(dòng)器實(shí)現高側或低側驅動(dòng)

摘要

在許多隔離式電源應用中，功率 MOSFET 通常采用某種形式的橋配置，用于優(yōu)化電源開(kāi)關(guān)和電源變壓器，從而提高效率。這些橋配置創(chuàng )建了高側 (HS) 和低側 (LS) 兩種開(kāi)關(guān)類(lèi)型。UCC277xx、UCC272xx 和 LM510x 系列等專(zhuān)用 HS 和 LS 柵極驅動(dòng)器 IC 可在單個(gè) IC 中為 HS 開(kāi)關(guān)管以及 LS 開(kāi)關(guān)管提供輸出。

相比之下，某些應用通過(guò)使用單輸出柵極驅動(dòng)器（例如 UCC2753x 或隔離式 UCC53xx 系列），而不是將 HS 和LS 組合為一個(gè)半橋驅動(dòng)器，也能實(shí)現巨大優(yōu)勢。單輸出驅動(dòng)器的位置可以更靠近電源開(kāi)關(guān)，帶來(lái)更大的布局靈活性和更少的寄生效應，從而實(shí)現出色的開(kāi)關(guān)性能。

1 引言

HS 開(kāi)關(guān)管請參閱圖 1-1 中的 Q1 和 Q2。這些開(kāi)關(guān)具有浮動(dòng)的源極連接，并且此基準上的電壓在開(kāi)關(guān)周期內會(huì )發(fā)生變化。Q3 和 Q4 被視為 LS 開(kāi)關(guān)管，因為它們的源極基準連接到輸入地，并且在開(kāi)關(guān)周期內不會(huì )改變電壓。當Q1 和 Q3 同時(shí)導通或者 Q2 和 Q4 同時(shí)導通時(shí)，將為 Vout 供電。對于節 2 中的電路示例，我們將僅關(guān)注使用 Q1和 Q3 的橋部分。

圖 1-1. 具有高側和低側初級 MOSFET 的全橋功率級

要在高功率應用中正確打開(kāi)這些開(kāi)關(guān)，通常需要柵極驅動(dòng) IC。要正確驅動(dòng) LS 開(kāi)關(guān)管，通常非常簡(jiǎn)單，因為柵極驅動(dòng)器的輸出可以直接連接到開(kāi)關(guān)的柵極，并且驅動(dòng)器 IC 的 GND 連接到開(kāi)關(guān)的源極。但是，要驅動(dòng) HS 開(kāi)關(guān)管，還必須注意以下事項：

1. 對于柵極驅動(dòng)器輸出信號本身，需要電平轉換器或隔離式信號收發(fā)器（例如數字隔離器），以確保柵極保持高于源極的適當電壓，從而正確打開(kāi) HS 開(kāi)關(guān)管。隨著(zhù) Q1 的源極（柵極驅動(dòng)器的 GND）在 Q1 導通期間上升，驅動(dòng)器需要其基準電壓密切跟隨 Q1 源極并保持信號電壓和基準電壓之間的差異。此外，該驅動(dòng)器的GND 需要與控制器地隔離，因為 Q1 源極在 0V 和 400V 等較高電壓之間移動(dòng)。

2. HS 柵極驅動(dòng)器還需要某種輔助電源，該電源可以浮動(dòng)，并在源極升至輸入電壓時(shí)保持適當的導通偏置。否則，當 Q1 源極電壓升高時(shí)，柵極驅動(dòng)器將關(guān)斷。這通常通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現：使用自舉電路、隔離式輔助電源，或使用柵極驅動(dòng)變壓器將柵極驅動(dòng)器與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)基準隔離。

2 高側驅動(dòng)方法

2.1 柵極驅動(dòng)變壓器解決方案

圖 2-1. 高側柵極驅動(dòng)變壓器

信號隔離

在圖 2-1 中，U1 的輸出信號通過(guò)使用 T1 進(jìn)行隔離。變壓器允許到 Q1 的柵極信號具有浮動(dòng)基準，該基準可以隨開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的變化而變化。添加了 C4 和 C6 等直流阻斷電容器以及整流器 D1 和 D2，以添加 C6 的失調電壓，從而防止變壓器中失衡。Q0 和 R0 用于關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

高側偏置

在圖 2-1 中，不需要隔離式電源或自舉電源。在該配置中，柵極驅動(dòng)器以與控制器和 Vbias1 相同的地為基準。因此，偏置電壓可由 Vbias1 直接提供。

2.2 具有電容式信號隔離的自舉輔助電源解決方案

信號隔離

圖 2-2. 使用基于電容器的信號隔離的高側自舉電路

在圖 2-2 中，U1 的輸入使用 U3 進(jìn)行隔離。U3 是電容式信號隔離器 ISO77xx。即使具有較大的共模接地壓擺率，電容式隔離器也可正確地發(fā)出信號。與光耦合器相比，它們在使用壽命和溫度范圍內更穩定，并且沒(méi)有柵極驅動(dòng)變壓器的占空比限制。

高側偏置

在圖 2-2 中，當 Q1 打開(kāi)時(shí)，Dboot 和 Cboot 用作正確偏置 U1 的自舉電路。當 Q1 關(guān)閉時(shí)，Dboot 正向偏置，并且在 Cboot 充電時(shí)，U1 直接由 Vbias1 供電。當 Q1 導通時(shí)，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓會(huì )增加到 HVDC，Dboot 被反向偏置并保護Vbias1，并且當 Cboot 將其電荷清空到 U1 的 VDD 引腳時(shí)，U1 被供電。Cboot 產(chǎn)生的這種電荷必須足以在 Q1 整個(gè)導通期間使 Q1 保持開(kāi)啟。Dboot 和 Cboot 的大小超出了本文的討論范圍。在 UCC27712 數據表中，請參閱 來(lái)選擇 Cboot，并參閱 來(lái)選擇 Dboot。

2.3 具有隔離式高側柵極驅動(dòng)器的隔離式輔助電源解決方案

圖 2-3. 高側隔離式驅動(dòng)器和輔助電源

信號隔離

在圖 2-3 中，對高側使用隔離式柵極驅動(dòng)器隔離輸入信號，對低側使用 ISO77xx。

高側偏置

在圖 2-3 中，U1（隔離式柵極驅動(dòng)器 UCC53xx）用作高側驅動(dòng)器，并使用電源側的隔離式輔助電源和信號側的VCC 供電。電源 Vbias1 以非隔離式 UCC27531 的 GND 引腳或電源地為基準，也為高側提供浮動(dòng)偏置。這與UCC27531EVM-184 或 UCC5390SCDEVM-010 中的配置類(lèi)似，其中使用了非穩壓隔離式電源（例如SN650x）。

2.4 采用隔離式高/低側柵極驅動(dòng)器的自舉輔助電源解決方案

圖 2-4. 采用高側自舉電路的隔離式驅動(dòng)器

信號隔離

在圖 2-4 中，U1 的輸入信號通過(guò)隔離式柵極驅動(dòng)器 UCC53xx 進(jìn)行隔離。這樣，即使信號參考（開(kāi)關(guān)節點(diǎn)）在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內改變電壓，信號也能正常工作。它還將控制器地與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和電源地隔離。

高側偏置

在圖 2-4 中，Dboot 和 Cboot 用作正確偏置 U1 的自舉電路。在 UCC27712 數據表中，請參閱 來(lái)選擇 Cboot，并參閱 來(lái)選擇 Dboot。

2.5 柵極驅動(dòng)變壓器解決方案

圖 2-5. 使用隔離式輔助電源的隔離式驅動(dòng)器

信號隔離

在圖 2-5 中，U1 的輸入信號通過(guò)隔離式柵極驅動(dòng)器 UCC53xx 進(jìn)行隔離。隔離式輔助電源（變壓器）允許到 Q1的柵極信號具有浮動(dòng)基準，該基準可以隨開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的變化而變化。

高側偏置

在圖 2-5 中，不需要信號隔離，因為柵極驅動(dòng)器在內部提供信號隔離。在該配置中，由于隔離式輔助電源，不需要自舉電源。Vbias1 以電源地為基準，為高側提供浮動(dòng)偏置。

3 結論

在信號路徑和適當偏置方面，驅動(dòng) LS 開(kāi)關(guān)管的柵極相當簡(jiǎn)單。但是，在橋配置中驅動(dòng) HS MOSFET 等源極浮動(dòng)的開(kāi)關(guān)管會(huì )在 HS 柵極驅動(dòng)器的信號路徑和偏置兩方面帶來(lái)一些挑戰。本文提供了大量電路示例，展示了使用單輸出柵極驅動(dòng)器實(shí)現 HS 柵極驅動(dòng)的不同方法。