基于UCC27321高速MOSFET驅動芯片的功能與應用

1　引言

　　隨著電力電子技術的發展，各種新型的驅動芯片層出不窮，為驅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，快速的驅動芯片。


2　UCC27321的功能和特點

　　TI公司推出的新的MOSFET驅動芯片能輸出9A的峰值電流，能夠快速地驅動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）。在標準工業應用中，ENBL端經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圖騰柱的并聯結構，能在幾百納秒的時間內提供高達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的彌勒高原效應轉換期間能獲得9A的峰值電流。UCC27321內部獨特的輸出結構使得放電能力比充電能力要強的多。充電時電流流經P溝道MOS，放電時電流流經N溝道MOS，這就使得這種芯片的驅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驅動電路的一般要求和最佳驅動特性：

　　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的驅動波形的上升和下降時間與驅動脈沖發生器的阻抗有關。


圖2工作在共源極的電路圖

　　B、MOSFET的最佳驅動特性應具有：

　　①功率管開通時，驅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，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為最佳柵極驅動電壓波形）

圖3 最佳柵極驅動電壓波形
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生。我們不需要對輸入信號進行整形而刻意減小驅動速度。若想限制其驅動速度，可在其輸出端與負載間串一個電阻，有助于吸收驅動芯片的損耗。
　　
　　驅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，驅動電路應盡可能的靠近負載。在UCC27321的輸出側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之間串一小磁環以消除電流振蕩；在PIN4和PIN5之間加一對反并聯二極管，實現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，根據公式,可知驅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的穩壓管。

　　⑵驅動電流和功率要求[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，對地傳輸的能量也為E。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動芯片內部：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動電路：

　　（a）為運用UCC27321的光耦隔離驅動。由于上管和下管不共地，為了實現電氣上的隔離，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）為傳統推挽變壓器隔離驅動,由于采用變壓器實現電氣隔離，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驅動芯片后，功率管開通時，驅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驅動芯片構成的驅動電路，開關管的開通和關斷損耗都將會大大減小。

6　結論

　　通過實驗驗證UCC27321驅動芯片具有良好的驅動特性，能快速驅動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異的保護電路，具有外圍電路簡潔，實現電源，輸入、輸出地之間的解耦，可靠性高等優點。能很好地應用于高速MOSFET的驅動電路設計。


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