仿"华为"电路？高压直流模块DC-DC驱动电路对比
高压直流模块的DC-DC驱动设计要求：（1） 开关频率：90kHZ-300kHZ； （2） 所用功率器件：MOSFET，不能用IGBT； （3） 占空比范围：PFM 50% duty，PWM 0-95% duty； （4） 死区时间：200ns左右，依据所选MOSFET的关断延时决定，尽量小； （5） 驱动电压：正平台电压大于10V；需要驱动负压，-2V或以下。驱动供电电源设计为15V左右。 （6） 采用副边控制，需要隔离驱动，隔离电压：3000kVrms； （7） 需要MOSFET快速关断电路； （8） 需要推挽电路增大驱动输出功率； （9） 需要考虑MOSFET并联时的均流问题； （10） 需要对之前模块的驱动相关问题进行排查，规避以往驱动电路的问题； （11） 驱动芯片要求兼容CMOS电平，能直接从DSP侧作为输入； 已有驱动电路分析当前已有的方案情况： （1） 整个多路的DC-DC驱动电路只有一路电源供电。通过驱动变压器隔离，1拖2。驱动供电在驱动变压器原边。 （2） 华为336驱动方案，控制侧一路，驱动侧2路，共需3路电源。实际驱动侧采用自举供电的方式，保证一路电源能同时给上下桥供电。驱动变压器为1拖2。实际驱动供电在驱动变压器副边，驱动变压器原边只负责控制和隔离。 （3） 台达样机的驱动方案，需要更多路电源。具体是：控制侧一路电源，驱动侧每个桥臂都有一路单独的隔离电源。驱动变压器原边依旧只负责控制，驱动供电由副边完成。 三种驱动电路对比： 已有的模块 华为336模块 台达模块 驱动变压器绕组数 3（1拖2） 3（1拖2） 3（1拖2） 驱动供电位置 驱动变压器原边 （驱动变压器负责控制和供电） 驱动变压器副边 （驱动变压器只负责控制，不负责供电） 驱动变压器副边 （驱动变压器只负责控制，不负责供电） 供电电源 全部驱动电路总共只有1个电源 每组上下桥臂共用1个，上桥采用浮驱的方式，共7组（三相LLC） 每个桥臂单独供电 是否有驱动快速关断电路 有 有 有 是否有驱动负压 有 无 未知 是否有驱动推挽电路 有 无（驱动芯片UCC27324的两路输出来同时驱动同一路MOSFT，每路最大4A输出电流，共8A驱动电流，驱动功率够，无需推挽） 有 是否有驱动信号电平转换电路 有，74HC08 无 有 驱动变压器原边是否串联电阻 无 有，1欧 无 G/S之间的跨接电阻 4.7k欧 10k欧 10k欧 驱动开通电阻值 15.1欧（规格书最小驱动电阻为3.3欧，SPW35N60CFD） 5.9欧（规格书最小驱动电阻1.8欧，IPW65R041CFD） 未知 假如将这三种类型的驱动电路分别应用到交错并联LLC的驱动电路上，对比如下： 我司15K模块的方案 华为336模块的方案 台达模块的方案 供电电源数 1路 1+4路 1+8路或1+6路（下桥臂可共用同一路电源） 驱动芯片数 4PCS（IXDN604） 4+8PCS（UCC27324） 4PCS（UCC27322） 推挽电路数 8 0 8 驱动变压器个数 4 4 4 DSP送出的驱动信号是否需要电平转换 不需 不需 需要，4个电平转换芯片 成本差异情况 基准 相对基准，多了8路驱动芯片和4路电源的成本，少了8个推挽电路的成本。 相对基准，多了2-4路驱动电源和4个驱动芯片的成本。 初步判断，在这三种驱动电路里面，已有模块的驱动电路方案成本最低。 已有模块的驱动电路存在的问题已有模块驱动电路存在一个较大的问题，就是死区时间内，驱动不受控的问题。如下图： 驱动变压器的每个副边都会输出三个电平，正电平，0电平和负电平。在刚从正电平进入0电平时，驱动的快速关断电路动作，MOSFET关断。随后由于驱动电压不断下降，Q30的1、2脚之间的电压也降低至0.7V以下，Q30关断，快速关断电路不起作用。由于驱动变压器原边无能量传递到变压器副边，MOSFET的驱动实际处于不受控状态，其G/S之间就只靠1个无源器件（4.7k的电阻）来将拉低。一般在PFM态下，0电平时间短，一般不会存在问题。但是在PWM态下，0电平时间会变长，驱动不受控时间变长。在有干扰的情况下，通过米勒电容，G/S之间的电容被充电使得驱动电压抬高，模块开通。最严酷的情况，甚至可能导致上下桥直通，模块炸机。 解决该驱动电路问题的方法解决此驱动电路的这个问题，就是要让MOSFET的驱动侧一直受控。最初想到的可能解决方案有四个： （1） 考虑其它的隔离方式，比如光耦隔离； （2） 考虑选用开通门槛电压高的MOSFET或者IGBT； （3） 驱动变压器改为1拖1的方式，同时保留驱动负压，可保证MOSFET G/S端受控； （4） 驱动供电电源改为在驱动变压器副边供电，驱动变压器原边只负责控制，类似华为和台达模块的方式； 方案1可行性分析： 此方法理论上可行，但实际无优势。主要原因是：光耦副边同样需要电源供电，会多出N路电源；且光耦一般还存在可靠性、响应延时、隔离电压等级越高价格越贵等问题。采用此种方案无论是成本还是可靠性上都没有优势，因此放弃。 方案2可行性分析： 在我理解看来，已有模块的方案中，在G/S之间挂了一个4.7k电阻的情况下，死区时间内依旧容易出问题的其中一个原因，是因为MOSFET的门槛电压太低，经不起风吹草动。 下面是已有模块所用MOSFET的三家产品的门槛电压情况： 开通门槛电压 Min Typ Max SPW35N60CFD（英飞凌） 3 4 5 IPX65R110CFD（英飞凌） 3.5 4 4.5 STW43NM60ND（ST） 3 4 5 另外，查了一下常用的富士和东芝MOSFET的开通门槛电压，如下： 富士MOSFET： 东芝MOSFET： 除了英飞凌的部分管子的门槛电压最低为3.5V以外，其它管子最低电压都是3V。需要查看一下15k以往的管子损坏数据，是否最低门槛电压为3.5V的IPX65R110CFD损坏较少。 但是从驱动电路设计需要能兼容各家管子的角度来看，采用择管子的方式来规避这个问题，不合适。另外，由于开关频率在100K以上，无法用门槛电压高的IGBT。因此，此方案放弃。 方案3可行性分析： 若采用方案3，驱动变压器1拖1，基本的原理图如下： 驱动变压器原边： 驱动变压器副边： 从原理图可见，驱动变压器1拖1，驱动变压器副边输出电平从3个改为了2个，电平稳定，不会出现上面的问题。 方案4可行性分析： 采用华为的驱动电路，也可以解决驱动电路的该问题。 华为模块具体解决该问题的方式，包含了下面几个部分： （1） 驱动变压器只负责控制和隔离，不负责传递驱动能量；驱动能量从副边再引入电源提供； （2） 采用上图红圈内的二极管，保证了1拖2时的驱动变压器副边负压在进入驱动芯片前消耗掉，送入驱动芯片的电压只有正驱动电压和0电平（UCC27324的电源电压供电范围为-0.3V到16V）。 （3） 采用上图红圈内的下拉电阻，保证了在死区时间内，能快速的驱动变压器副边杂生电感附带的能量消耗掉，死区时间内保持低电平。采用10k电阻就能搞定的原因，还是因为驱动变压器只传递控制信号而不传递驱动能量，驱动变压器副边杂生电感残存的能量少。 查看UCC27324的datasheet，如下： 低电平的上限为1V，可以满足使用要求。 成本分析将方案3和方案4所用器件情况： 方案3 价格（元） 方案4 价格（元） 价格差（方案3-方案4）（元） 驱动变压器个数 8 3.1*0.7 4 3.1*0.7 8.68 驱动芯片个数 4 1.4*4 4+8 1.4*12 -11.2 推挽电路个数 8 （0.26+0.26）*8 0 0 4.16 供电电源 1 按每一路0.5元算，0.5 1+4 按每一路0.5元算，0.5*5 -2 自举供电所需二极管和电容 0 按每一路0.2元算，0 4个二极管和4个电容 按每一路0.2元算，0.8 -0.8 综合成本对比 27.62 28.78 -1.16 从综合成本比对来看，方案3比方案4便宜1.16元，方案3较有优势。 但是，问题在于，方案3需要选用8个驱动变压器，由于驱动变压器为插件器件，需要占用PCB正面的位置。这对于当前非常有限的PCB空间而言，又是一个挑战。 对于方案4，仿照华为电路，总共用了12个驱动芯片，这是其成本最贵的地方。可能的原因，是华为采购27324的价格非常便宜。实际上，副边还采用27324，非常的浪费。 这里将华为模块的优点和台达模块的优点合在一起，即在驱动变压器副边，将27324修改为推挽电路，将每个桥臂单独供电改为华为模块的自举供电，变成方案5。成本对比如下： 方案3 价格（元） 方案5 价格（元） 价格差（方案3-方案5）（元） 驱动变压器个数 8 3.1*0.7 4 3.1*0.7 8.68 驱动芯片个数 4 1.4*4 4 1.4*4 0 推挽电路个数 8 （0.26+0.26）*8 8 （0.26+0.26）*8 0 供电电源 1 按每一路0.5元算，0.5 1+4 按每一路0.5元算，0.5*5 -2 自举供电所需二极管和电容 0 按每一路0.2元算，0 4个二极管和4个电容 按每一路0.2元算，0.8 -0.8 综合成本对比 27.62 21.74 5.88 因此，推荐采用方案5。 推荐驱动电路从成本和PCB正面空间占用情况考虑，推荐采用方案5，类似华为模块的驱动电路，但是将驱动变压器副边的UCC27324改为推挽电路。声明： 声明：文章来源@艾伊电源。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。 来源：硬件笔记本
