基于UCC27321高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)芯片的功能與應(yīng)用

1、1引言隨著電力電子技術(shù)的開展，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(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-40C 105C。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ENB

2、L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、

3、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)，對防止MOSFET的誤導(dǎo)通是很有利的。圖 1 UCC2732I 內(nèi)譽(yù)煌理表1篇一入一、桁出j妄短表引珂功施介始際號噸】尚UACHD笑地.濕晚近就驅(qū)功的 MOSFET 的毒糧.3ENBL使似 t 高坦平有效.疝通過【0 服的上拉電嫌接至 VDD.2Nj_驅(qū)電犒入信號 W時(shí)毫 3VOUT0輔出茉.上 7 期捧接在一起，施

4、蛤 MOSFET 程整皿的峰僵 噌德.5PGND輸出蜒其如*必須 R 近蜓前的 MOSFET 的藏我1耳VDD驅(qū)功卷胃工作電*正常工作時(shí) 1M、 3 -jB至電源 VDD. 也可 3印懸空.*2引再功搶寰3功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的一般要求和最正確驅(qū)動(dòng)特性：A、MOSFET管工作在高頻時(shí)，必須注意以下兩點(diǎn)1:1盡可能減少M(fèi)OSFET各端點(diǎn)的連接線長度，特別是柵極引線。假設(shè)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22由于MOSFET的輸入阻抗高， 驅(qū)動(dòng)電源的輸出阻抗必須比擬低，以防止正反應(yīng)引起 的振蕩。特別是MOSFET的直流輸入阻抗非常高，而它的UCC273321EJSTBLI

5、NOUTr oI0000110101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)。tVdsVg赫圖2工作在共源極的電路圖B、MOSFET的最正確驅(qū)動(dòng)特性應(yīng)具有：1功率管開通時(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。2功率管導(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。3關(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。底3為最正確柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形圖3最正確柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形4 UCC27321使用考前須知電路

6、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(jìn)行整形而刻意減小驅(qū)動(dòng)速度。假設(shè)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(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

7、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。假設(shè)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)公式由，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。驅(qū)動(dòng)電流和功率要

8、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)能對地提供同樣高的放電電流。由于功率MOSFET為容性負(fù)載，開 尸通時(shí)MOSFET柵極電壓偏置為Vg,那么給電容的充電能量可簡單地看作為：2 * *Ciss為MOSFET輸入電容，Vg為柵極偏置電壓。當(dāng)電容放電時(shí)，對地傳輸?shù)哪芰恳矠镋。這樣芯片提供的功率損耗為：心誓觸心其中：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，那么電路回路的阻抗會消耗這一局部能量即所有的能量會損耗在驅(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：率攪盹為，尸7小協(xié)1配網(wǎng)

9、30質(zhì)陽-043JF -史矣。詢* V12假設(shè)程們知il門段龜荷。,MOSFET參數(shù)卷中董詢】切上述公式可轉(zhuǎn)化為根據(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:W皆婉的推挽式變壓器福癡驅(qū)功電42圖4應(yīng)用于推憧正激的驅(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，使得外圍電路簡單，設(shè)計(jì)較容易，但需兩路鼓勵(lì)電源。(b)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

10、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=土20V。測試電路為圖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)間那么為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)斷損耗都將會大大減小。(a運(yùn)用UCC2H21的光網(wǎng)I離驅(qū)動(dòng)電路UPi nibVDD