基于UCC27321高速MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片的功能與應(yīng)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(dòng)芯片層出不窮，為驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提供了更多的選擇和設(shè)計(jì)思路，外圍電路大大減少，使得MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路愈來愈簡(jiǎn)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(jiǎn)單，高效，快速的驅(qū)動(dòng)芯片。


2　UCC27321的功能和特點(diǎn)

　　TI公司推出的新的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片能輸出9A的峰值電流，能夠快速地驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管，在10nF的負(fù)載下，其上升時(shí)間和下降時(shí)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(gè)引腳的功能介紹。

　　UCC27321的ENBL是給設(shè)計(jì)者預(yù)留的引腳端，為高電平有效（見表1）。在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用中，ENBL端經(jīng)100K的上拉電阻接至高電平。一般正常工作時(shí)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(shí)芯片不工作。通過對(duì)ENBL的精心設(shè)置可以設(shè)計(jì)出可靠的保護(hù)電路。

　　UCC27321的輸出端采用了獨(dú)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(shí)間內(nèi)提供高達(dá)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(dāng)輸出電壓小于雙極性晶體管的飽和壓降時(shí)，其輸出阻抗為MOSFET的Ron。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓過低或過沖時(shí)，輸出級(jí)MOSFET的體二極管提供了一個(gè)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(gè)肖特基二極管。

　　UCC27321在MOSFET的彌勒高原效應(yīng)轉(zhuǎn)換期間能獲得9A的峰值電流。UCC27321內(nèi)部獨(dú)特的輸出結(jié)構(gòu)使得放電能力比充電能力要強(qiáng)的多。充電時(shí)電流流經(jīng)P溝道MOS，放電時(shí)電流流經(jīng)N溝道MOS，這就使得這種芯片的驅(qū)動(dòng)關(guān)斷能力要比其導(dǎo)通能力強(qiáng)，對(duì)防止MOSFET的誤導(dǎo)通是很有利的。

3　功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的一般要求和最佳驅(qū)動(dòng)特性：

　　A、MOSFET管工作在高頻時(shí)，必須注意以下兩點(diǎn)[1]：

　?、俦M可能減少M(fèi)OSFET各端點(diǎn)的連接線長(zhǎng)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）

　?、谟捎贛OSFET的輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)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(dòng)波形的上升和下降時(shí)間與驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器的阻抗有關(guān)。


圖2工作在共源極的電路圖

　　B、MOSFET的最佳驅(qū)動(dòng)特性應(yīng)具有：

　?、俟β使荛_通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供的柵極電壓應(yīng)有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通過程。

　?、诠β使軐?dǎo)通期間，應(yīng)能在任何負(fù)載情況下都能保證功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)，且使功率管Vds在管子導(dǎo)通的前提下壓降較低，以保證低的導(dǎo)通損耗。

　?、坳P(guān)斷瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反壓，使漏極電流迅速下降，加速關(guān)斷過程。（圖3為最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形）

圖3 最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形
4　UCC27321使用注意事項(xiàng)

　?、烹娐凡季稚系目紤][2，3]：

　　UCC27321的最大輸入電流為500mA，輸入信號(hào)可以由PWM控制芯片或邏輯門產(chǎn)生。我們不需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形而刻意減小驅(qū)動(dòng)速度。若想限制其驅(qū)動(dòng)速度，可在其輸出端與負(fù)載間串一個(gè)電阻，有助于吸收驅(qū)動(dòng)芯片的損耗。
　　
　　驅(qū)動(dòng)芯品的低阻抗和高di/dt,都會(huì)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?cè)陔娐凡季稚蠎?yīng)加以注意：
　
　　總的來說，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的靠近負(fù)載。在UCC27321的輸出側(cè)VDD和地之間跨接一個(gè)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(fù)載。

　　PGND、AGND之間，兩個(gè)VDD引腳之間都存在一個(gè)較小的阻抗。為了使輸入、輸出電源和地之間進(jìn)行解耦，同時(shí)利用上述特征，可在5腳和8腳之間跨接一個(gè)1uF的低ESR電容（有助于獲得大的驅(qū)動(dòng)電流），在1腳和4腳之間跨接一個(gè)0.1uF的陶瓷電容以降低輸出阻抗。若想獲得進(jìn)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(duì)反并聯(lián)二極管，實(shí)現(xiàn)PGND和AGND之間的解耦。

　　由于在MOSFET開通時(shí)UCC27321能提供很大的充電電流，根據(jù)公式,可知驅(qū)動(dòng)電壓在開通時(shí)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(gè)18V的穩(wěn)壓管。

　?、乞?qū)動(dòng)電流和功率要求[4，5]

　　在MOSFET開通時(shí)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(guān)斷，驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)能對(duì)地提供同樣高的放電電流。由于功率MOSFET為容性負(fù)載，開通時(shí)MOSFET柵極電壓偏置為Vg，則給電容的充電能量可簡(jiǎn)單地看作為：
　Ciss為MOSFET輸入電容，Vg為柵極偏置電壓。

　　當(dāng)電容放電時(shí)，對(duì)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(guān)管的工作頻率

　　如果驅(qū)動(dòng)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(huì)消耗這一部分能量即所有的能量會(huì)損耗在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部：電容充電和放電時(shí)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(yīng)用實(shí)例

　　圖4給出了應(yīng)用于推挽正激的驅(qū)動(dòng)電路：

　　（a）為運(yùn)用UCC27321的光耦隔離驅(qū)動(dòng)。由于上管和下管不共地，為了實(shí)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(jiǎn)單，設(shè)計(jì)較容易，但需兩路激勵(lì)電源。

　?。╞）為傳統(tǒng)推挽變壓器隔離驅(qū)動(dòng),由于采用變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，進(jìn)行電流、電壓變換，應(yīng)用范圍較廣。但缺點(diǎn)是體積重量較大，驅(qū)動(dòng)變壓器容易激磁飽和，設(shè)計(jì)相對(duì)困難。

　　實(shí)驗(yàn)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(cè)試電路為圖4所示電路，開關(guān)頻率為50kHz。從導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來看：采用推挽式驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間將近為180ns；而采用UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片后，導(dǎo)通時(shí)間僅為80ns，關(guān)斷時(shí)間則為70ns。從波形（見圖5）來看：采用UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片后，功率管開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(guān)斷瞬時(shí)，提供了較大的反壓，使管子可靠關(guān)斷，開關(guān)管的導(dǎo)通特性和關(guān)斷特性明顯改善。所以采用UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗都將會(huì)大大減小。

6　結(jié)論

　　通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片具有良好的驅(qū)動(dòng)特性，能快速驅(qū)動(dòng)MOSFET，從而減小了開通和關(guān)斷損耗。同時(shí)，通過設(shè)置使能端能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的保護(hù)電路，具有外圍電路簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)電源，輸入、輸出地之間的解耦，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。能很好地應(yīng)用于高速M(fèi)OSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。


參考文獻(xiàn)：

[1]張占松，蔡宣三編著，《開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)》，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