半桥拓扑结构高端MOSFET驱动方案选择：变压器还是硅芯片？

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，或在最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。

安森美半导体在-40℃至+125℃的完整温度范围内定义驱动IC的电气参数，相关的高端MOSFET硅驱动器(参见表1)具有强固的负电压特性。相比较而言，很多竞争对手仅在+25℃的环境工作温度下定义电气参数，并不总提供温度特征描绘，而且很多竞争对手从特征曲线中析取的电气参数值很可能未顾及工艺变化问题。

　　表1：安森美半导体用于高端MOSFET驱动的硅驱动器相互参照。

　　方案比较及安森美半导体建议

我们以采用变压器驱动方案和硅驱动器方案的24 V@10 A LLC半桥电路为例来比较这两种方案。这两种方案都采用带双DRV输出的LLC控制器NCP1395，不同的是，前者采用变压器驱动LLC转换器的MOSFET，后者采用NCP5181驱动器IC来驱动器LLC转换器的MOSFET。两者的波形看上去类似，但比较高端MOSFET关闭时的波形可以发现，驱动器IC更快速地关闭MOSFET，而且驱动IC关闭MOSFET时快70 ns，从而降低开关损耗;而在高端MOSFET导通时，驱动器IC在高端与低端MOSFET之间能够保持安全及足够的死区时间，优于变压器驱动方案。而从能效来看，在相同的输入功率时，两种方案的能效没有显著区别(详见参考资料1)。

对于这两种方案而言，究竟应该选择哪种方案呢?实际上，如果精心设计的话，这两种方案都可以。安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商，我们的建议是选择硅芯片驱动方案，因为硅方案可以简化布线及简化设计，免去变压器需要手动插入的问题，及可免除变压器方案中诸如隔离被破坏、磁通走散、关闭后出来未预料到的振铃等问题。而且要支持纤薄设计的话, 扁平电源中变压器的高度是个问题，而硅芯片驱动方案则无此问题。

　　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，但安森美半导体建议选择诸如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。

　　参考资料：

1、半桥驱动器：采用变压器还是全硅驱动，安森美半导体培训教程， www.onsemi.com/pub/Collateral/HB%20-%20Half-Bridge%20Drivers,%20a%20Transformer-Based%20Solution%20or%20an%20All-Silicon%20Drive%20-%20bilingual.rev0.pdf

2、NCP5181数据手册，http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP5181-D.PDF