基于UCC27321高速MOSFET驅(qū)動芯片的功能與應用

1　引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型的驅(qū)動芯片層出不窮，為驅(qū)動電路的設計提供了更多的選擇和設計思路，外圍電路大大減少，使得MOSFET的驅(qū)動電路愈來愈簡潔，.性能也獲得到了很大地提高。其中UCC27321就是一種外圍電路簡單，高效，快速的驅(qū)動芯片。


2　UCC27321的功能和特點

　　TI公司推出的新的MOSFET驅(qū)動芯片能輸出9A的峰值電流，能夠快速地驅(qū)動MOSFET開關管，在10nF的負載下，其上升時間和下降時間的典型值僅為20ns。工作電源為4—15V。工作溫度范圍為-40℃—105℃。圖1給出了芯片的內(nèi)部原理圖，表1為輸入、輸出邏輯表。表2為各個引腳的功能介紹。

　　UCC27321的ENBL是給設計者預留的引腳端，為高電平有效（見表1）。在標準工業(yè)應用中，ENBL端經(jīng)100K的上拉電阻接至高電平。一般正常工作時可以懸空。為求可靠，也可將其接至輸入電源高電平，低電平時芯片不工作。通過對ENBL的精心設置可以設計出可靠的保護電路。

　　UCC27321的輸出端采用了獨特的雙極性晶體管圖騰柱和雙MOSFET圖騰柱的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能在幾百納秒的時間內(nèi)提供高達9A的峰值電流并使得有效電流源能在低電壓下正常工作。

　　當輸出電壓小于雙極性晶體管的飽和壓降時，其輸出阻抗為MOSFET的Ron。當驅(qū)動電壓過低或過沖時，輸出級MOSFET的體二極管提供了一個小的阻抗。這就使得在絕大多數(shù)情況下，無須在輸出腳6、7與地之間額外地增加一個肖特基二極管。

　　UCC27321在MOSFET的彌勒高原效應轉(zhuǎn)換期間能獲得9A的峰值電流。UCC27321內(nèi)部獨特的輸出結(jié)構(gòu)使得放電能力比充電能力要強的多。充電時電流流經(jīng)P溝道MOS，放電時電流流經(jīng)N溝道MOS，這就使得這種芯片的驅(qū)動關斷能力要比其導通能力強，對防止MOSFET的誤導通是很有利的。

3　功率MOSFET驅(qū)動電路的一般要求和最佳驅(qū)動特性：

　　A、MOSFET管工作在高頻時，必須注意以下兩點[1]：

　　①盡可能減少MOSFET各端點的連接線長度，特別是柵極引線。若不行，可在靠近柵極處串聯(lián)一小電阻以便抑制寄生振蕩。（如圖2）

　　②由于MOSFET的輸入阻抗高，驅(qū)動電源的輸出阻抗必須比較低，以避免正反饋引起的振蕩。特別是MOSFET的直流輸入阻抗非常高，而它的交流輸入阻抗是隨頻率而改變的，因此MOSFET的驅(qū)動波形的上升和下降時間與驅(qū)動脈沖發(fā)生器的阻抗有關。


圖2工作在共源極的電路圖

　　B、MOSFET的最佳驅(qū)動特性應具有：

　　①功率管開通時，驅(qū)動電路提供的柵極電壓應有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通過程。

　　②功率管導通期間，應能在任何負載情況下都能保證功率管處于導通狀態(tài)，且使功率管Vds在管子導通的前提下壓降較低，以保證低的導通損耗。

　　③關斷瞬時，驅(qū)動電路應提供足夠的反壓，使漏極電流迅速下降，加速關斷過程。（圖3為最佳柵極驅(qū)動電壓波形）

圖3 最佳柵極驅(qū)動電壓波形
4　UCC27321使用注意事項

　　⑴電路布局上的考慮[2，3]：

　　UCC27321的最大輸入電流為500mA，輸入信號可以由PWM控制芯片或邏輯門產(chǎn)生。我們不需要對輸入信號進行整形而刻意減小驅(qū)動速度。若想限制其驅(qū)動速度，可在其輸出端與負載間串一個電阻，有助于吸收驅(qū)動芯片的損耗。
　　
　　驅(qū)動芯品的低阻抗和高di/dt,都會帶來寄生電感和寄生電容產(chǎn)生的振鈴。為盡可能消除這些不良影響，我們在電路布局上應加以注意：
　
　　總的來說，驅(qū)動電路應盡可能的靠近負載。在UCC27321的輸出側(cè)VDD和地之間跨接一個1uF的低ESR電容以濾除電源高頻分量。將PIN1和PIN8、PIN4和PIN5相連；輸出端PIN6和PIN7相連后接至負載。

　　PGND、AGND之間，兩個VDD引腳之間都存在一個較小的阻抗。為了使輸入、輸出電源和地之間進行解耦，同時利用上述特征，可在5腳和8腳之間跨接一個1uF的低ESR電容（有助于獲得大的驅(qū)動電流），在1腳和4腳之間跨接一個0.1uF的陶瓷電容以降低輸出阻抗。若想獲得進一步的解耦，可在PIN1和PIN8之間串一小磁環(huán)以消除電流振蕩；在PIN4和PIN5之間加一對反并聯(lián)二極管，實現(xiàn)PGND和AGND之間的解耦。

　　由于在MOSFET開通時UCC27321能提供很大的充電電流，根據(jù)公式,可知驅(qū)動電壓在開通時有很高的電壓尖峰。為防止柵源電壓過高，MOSFET被擊穿，可在輸出端與地之間并一個18V的穩(wěn)壓管。

　　⑵驅(qū)動電流和功率要求[4，5]

　　在MOSFET開通時UCC27321能提供幾百納秒的9A峰值電流，使其迅速開通；為求迅速關斷，驅(qū)動芯片應能對地提供同樣高的放電電流。由于功率MOSFET為容性負載，開通時MOSFET柵極電壓偏置為Vg，則給電容的充電能量可簡單地看作為：
　Ciss為MOSFET輸入電容，Vg為柵極偏置電壓。

　　當電容放電時，對地傳輸?shù)哪芰恳矠镋。這樣芯片提供的功率損耗為：
其中： 為開關管的工作頻率

　　如果驅(qū)動芯片與柵極之間沒有串接額外的電阻，則電路回路的阻抗會消耗這一部分能量即所有的能量會損耗在驅(qū)動芯片內(nèi)部：電容充電和放電時各消耗一半能量。以下舉例說明這一情況：

　　根據(jù)以上方程式可以確定功率MOSFET的所需柵極電壓。


5　應用實例

　　圖4給出了應用于推挽正激的驅(qū)動電路：

　　（a）為運用UCC27321的光耦隔離驅(qū)動。由于上管和下管不共地，為了實現(xiàn)電氣上的隔離，在UC3525的輸出與UCC27321的輸入之間增加了快速光耦隔離芯片HCPL4504。采用光耦隔離，使得外圍電路簡單，設計較容易，但需兩路激勵電源。

　　（b）為傳統(tǒng)推挽變壓器隔離驅(qū)動,由于采用變壓器實現(xiàn)電氣隔離，進行電流、電壓變換，應用范圍較廣。但缺點是體積重量較大，驅(qū)動變壓器容易激磁飽和，設計相對困難。

　　實驗中所采用的MOSFET為IRFP460，其典型參數(shù)為：Ciss=4.1nF；Qg=120nC;VDS=500V;ID=20A;VGS=±20V。 測試電路為圖4所示電路，開關頻率為50kHz。從導通和關斷時間來看：采用推挽式驅(qū)動電路時，開關管的導通時間和關斷時間將近為180ns；而采用UCC27321驅(qū)動芯片后，導通時間僅為80ns，關斷時間則為70ns。從波形（見圖5）來看：采用UCC27321驅(qū)動芯片后，功率管開通時，驅(qū)動電路提供的柵極電壓具有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖；關斷瞬時，提供了較大的反壓，使管子可靠關斷，開關管的導通特性和關斷特性明顯改善。所以采用UCC27321驅(qū)動芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路，開關管的開通和關斷損耗都將會大大減小。

6　結(jié)論

　　通過實驗驗證UCC27321驅(qū)動芯片具有良好的驅(qū)動特性，能快速驅(qū)動MOSFET，從而減小了開通和關斷損耗。同時，通過設置使能端能設計出性能優(yōu)異的保護電路，具有外圍電路簡潔，實現(xiàn)電源，輸入、輸出地之間的解耦，可靠性高等優(yōu)點。能很好地應用于高速MOSFET的驅(qū)動電路設計。


參考文獻：

[1]張占松，蔡宣三編著，《開關電源的原理與設計》，電子工業(yè)出版社，北京，1998。

[2]. SEM-1400, Topic 2, A Design and Application Guide for High Speed Power MOSFET Gate Drive Circuits,TI Literature No. SLUP133

[3]. U?C137, Practical Considerations in High Performance MOSFET, IGBT and MCT Gate Drive Circuits, by Bill Andreycak, TI Literature No. SLUA105

[4]. Technical Brief, PowerPad Thermally Enhanced Package, TI Literature No. SLMA002

[5]. Application Brief, PowerPAD Made Easy, TI Literature No. SLMA004