DHH带你深入浅出LLC.10

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第10章 驱动电路与死区时间优化

驱动电路看似简单，实则是LLC可靠工作的关键环节。死区时间的精确控制、驱动能力的充足性、以及抗干扰能力，都直接影响ZVS的实现和系统的可靠性。

10.1 半桥驱动的基本要求

半桥LLC的两个MOSFET需要互补驱动，中间留有死区时间。驱动电路需要满足：

• 足够的驱动电流：MOSFET的栅极电容需要在短时间内充放电，驱动电流峰值可能达到1~2A。对于高频应用，驱动电流要求更高。
• 精确的死区时间控制：死区时间通常由控制器内部设定或外部电阻编程。精度要求在±10ns以内。
• 高侧驱动能力：高侧MOSFET的源极浮动，需要自举电路或隔离驱动。
  
  

10.2 常用驱动方案

自举驱动：使用自举电容和二极管，将低侧驱动电源“泵”到高侧。这是最常用的方案，成本低，但占空比和频率受限。常用芯片有IR2110、UCC27714、LM5109等。

隔离驱动：使用变压器或光耦隔离，适合高侧浮动电压变化剧烈的场合。变压器隔离驱动（如TI的UCC21520）延时小，抗干扰能力强，但体积较大。

专用LLC控制器：许多LLC控制器集成了半桥驱动，如TI的UCC25600、UCC25630x，ST的L6599，Infineon的ICE2HS01G等。这些控制器通常还集成了频率调节、软启动、保护等功能，大大简化了设计。

10.3 死区时间的优化

死区时间是LLC设计中需要仔细优化的参数。如第5章所述，死区时间存在一个窗口：下限由Coss充放电时间决定，上限由谐振电流反向过零时间决定。

死区时间的计算：

Coss充放电时间约为：

td_min ≈ (2 · Coss · Vin) / I_resonant

其中Coss为MOSFET的输出电容，I_resonant为死区期间的谐振电流（近似等于励磁电流峰值）。

励磁电流峰值为：

Im_peak = (Vin / 2) · T / (4 · Lm)

以Vin = 400V、Lm = 117μH、T = 6.67μs（150kHz）为例，Im_peak = 200×6.67×10⁻⁶/(4×117×10⁻⁶) ≈ 2.85A。

如果Coss = 200pF，则td_min ≈ 2×200×10⁻¹²×400/2.85 ≈ 56ns。

上限由谐振电流反向过零时间决定，通常为td_min的2~3倍。因此死区时间可取100~150ns。

实际调试：死区时间的最优值通常通过实验确定。观察半桥中点电压波形，如果死区结束时电压已经到达0或Vin，说明死区时间足够；如果电压尚未到达，说明死区时间太短；如果电压到达后又偏离，说明死区时间太长。

10.4 驱动电路的抗干扰设计

LLC的开关节点（半桥中点）电压变化率dv/dt很高，可能达到10V/ns以上。这个高dv/dt会通过米勒电容耦合到栅极，导致误开通。抗干扰措施包括：

• 负压关断：在关断时给栅极施加负电压（如-2V~-5V），提高抗干扰能力
• 米勒钳位：使用专门的米勒钳位电路，在关断期间将栅极钳位到源极
• 减小栅极回路电感：缩短驱动走线，使用开尔文连接
• 增加栅极电阻：适当增大关断电阻，降低dv/dt引起的电流尖峰
  
  

10.5 软启动与保护

LLC的软启动至关重要。启动时输出电容未充电，如果直接以额定频率工作，谐振电流会非常大，可能损坏开关管。软启动策略通常是从高频开始（如300kHz），逐渐降低频率到工作点，同时限制谐振电流。

保护功能包括：

• 过流保护：检测谐振电流或原边电流，超过阈值时提高频率或关断
• 过压保护：检测输出电压，超过阈值时关断
• 短路保护：输出短路时，LLC的谐振电流会急剧增大，需要快速关断
• 过热保护：检测散热器温度，超过阈值时降额或关断
  
  

10.6 一个驱动设计实例

以UCC25630x为例，这是一款专为LLC设计的控制器，集成了半桥驱动、频率调节、软启动和保护功能。

关键参数设置：

• 死区时间：通过外部电阻设定，典型值100~200ns
• 软启动时间：通过外部电容设定，典型值10~20ms
• 过流阈值：通过外部电阻设定，典型值为额定谐振电流峰值的1.5~2倍
• 最低/最高频率：通过外部电阻设定，覆盖fm到2×fr的范围
  
  

驱动能力：UCC25630x的驱动电流为±0.5A，对于大多数MOSFET足够。如果MOSFET的Qg较大（>50nC），可能需要外加驱动缓冲器。

自举电路：自举电容取100nF~1μF，自举二极管选用快恢复二极管（如1N4148或BAT54）。自举电容的耐压需大于Vin + 裕量。

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