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基于UCC27321高速MOSFET驱动芯片的功能与应用.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.13M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 引言 随着电力电子技术的发展，各种新型的驱动芯片层出不穷，为驱动电路的设计提供了更 多的选择和设计思路，外围电路大大减少，使得 MOSFET 的驱动电路愈来愈简洁，.性能也 获得到了很大地提高。其中 UCC27321 就是一种外围电路简单，高效，快速的驱动芯片。 2 UCC27321 的功能和特点 TI 公司推出的新的 MOSFET 驱动芯片能输出 9A 的峰值电流，能够快速地驱动 MOSFET 开关管，在 10nF 的负载下，其上升时间和下降时间的典型值仅为 20ns。工作电源为 4—15V。 工作温度范围为-40℃—105℃。图 1 给出了芯片的内部原理图，表 1 为输入、输出逻辑表。 表 2 为各个引脚的功能介绍。 UCC27321 的 ENBL 是给设计者预留的引脚端，为高电平有效（见表 1）。在标准工业 应用中，ENBL 端经 100K 的上拉电阻接至高电平。一般正常工作时可以悬空。为求可靠， 也可将其接至输入电源高电平，低电平时芯片不工作。通过对 ENBL 的精心设置可以设计 出可靠的保护电路。 UCC27321 的输出端采用了独特的双极性晶体管图腾柱和双 MOSFET 图腾柱的并联结 构，能在几百纳秒的时间内提供高达 9A 的峰值电流并使得有效电流源能在低电压下正常工 作。 当输出电压小于双极性晶体管的饱和压降时，其输出阻抗为 MOSFET 的 Ron。当驱动 电压过低或过冲时，输出级 MOSFET 的体二极管提供了一个小的阻抗。这就使得在绝大多 数情况下，无须在输出脚 6、7 与地之间额外地增加一个肖特基二极管。 UCC27321 在 MOSFET 的弥勒高原效应转换期间能获得 9A 的峰值电流。UCC27321 内 部独特的输出结构使得放电能力比充电能力要强的多。充电时电流流经 P 沟道 MOS，放电 时电流流经 N 沟道 MOS，这就使得这种芯片的驱动关断能力要比其导通能力强，对防止 MOSFET 的误导通是很有利的。
    3 功率 MOSFET 驱动电路的一般要求和最佳驱动特性： A、MOSFET 管工作在高频时，必须注意以下两点[1]： ①尽可能减少 MOSFET 各端点的连接线长度，特别是栅极引线。若不行，可在靠近栅 极处串联一小电阻以便抑制寄生振荡。（如图 2） ②由于 MOSFET 的输入阻抗高，驱动电源的输出阻抗必须比较低，以避免正反馈引起 的振荡。特别是 MOSFET 的直流输入阻抗非常高，而它的交流输入阻抗是随频率而改变的， 因此 MOSFET 的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器的阻抗有关。
    图 2 工作在共源极的电路图 B、MOSFET 的最佳驱动特性应具有： ①功率管开通时，驱动电路提供的栅极电压应有快速的上升沿，并一开始有一定的过冲， 以加速开通过程。 ②功率管导通期间，应能在任何负载情况下都能保证功率管处于导通状态，且使功率管 Vds 在管子导通的前提下压降较低，以保证低的导通损耗。 ③关断瞬时，驱动电路应提供足够的反压，使漏极电流迅速下降，加速关断过程。（图 3 为最佳栅极驱动电压波形） 图 3 最佳栅极驱动电压波形 4 UCC27321 使用注意事项 ⑴电路布局上的考虑[2，3]： UCC27321 的最大输入电流为 500mA，输入信号可以由 PWM 控制芯片或逻辑门产生。 我们不需要对输入信号进行整形而刻意减小驱动速度。若想限制其驱动速度，可在其输出端 与负载间串一个电阻，有助于吸收驱动芯片的损耗。 驱动芯品的低阻抗和高 di/dt,都会带来寄生电感和寄生电容产生的振铃。为尽可能消除 这些不良影响，我们在电路布局上应加以注意： 总的来说，驱动电路应尽可能的靠近负载。在 UCC27321 的输出侧 VDD 和地之间跨接 一个 1uF 的低 ESR 电容以滤除电源高频分量。将 PIN1 和 PIN8、PIN4 和 PIN5 相连；输出 端 PIN6 和 PIN7 相连后接至负载。 PGND、AGND 之间，两个 VDD 引脚之间都存在一个较小的阻抗。为了使输入、输出 电源和地之间进行解耦，同时利用上述特征，可在 5 脚和 8 脚之间跨接一个 1uF 的低 ESR
    电容（有助于获得大的驱动电流），在 1 脚和 4 脚之间跨接一个 0.1uF 的陶瓷电容以降低输 出阻抗。若想获得进一步的解耦，可在 PIN1 和 PIN8 之间串一小磁环以消除电流振荡；在 PIN4 和 PIN5 之间加一对反并联二极管，实现 PGND 和 AGND 之间的解耦。 由于在 MOSFET 开通时 UCC27321 能提供很大的充电电流，根据公式 ,可知驱动 电压在开通时有很高的电压尖峰。为防止栅源电压过高，MOSFET 被击穿，可在输出端与 地之间并一个 18V 的稳压管。 ⑵驱动电流和功率要求[4，5] 在 MOSFET 开通时 UCC27321 能提供几百纳秒的 9A 峰值电流，使其迅速开通；为求 迅速关断，驱动芯片应能对地提供同样高的放电电流。由于功率 MOSFET 为容性负载，开 通时 MOSFET 栅极电压偏置为 Vg，则给电容的充电能量可简单地看作为： Ciss 为 MOSFET 输入电容，Vg 为栅极偏置电压。 当电容放电时，对地传输的能量也为 E。这样芯片提供的功率损耗为： 其中： 为开关管的工作频率 如果驱动芯片与栅极之间没有串接额外的电阻，则电路回路的阻抗会消耗这一部分能量 即所有的能量会损耗在驱动芯片内部：电容充电和放电时各消耗一半能量。以下举例说明这 一情况： 根据以上方程式可以确定功率 MOSFET 的所需栅极电压。 5 应用实例 图 4 给出了应用于推挽正激的驱动电路：
    （a）为运用 UCC27321 的光耦隔离驱动。由于上管和下管不共地，为了实现电气上的 隔离，在 UC3525 的输出与 UCC27321 的输入之间增加了快速光耦隔离芯片 HCPL4504。采 用光耦隔离，使得外围电路简单，设计较容易，但需两路激励电源。 （b）为传统推挽变压器隔离驱动,由于采用变压器实现电气隔离，进行电流、电压变换， 应用范围较广。但缺点是体积重量较大，驱动变压器容易激磁饱和，设计相对困难。 实 验 中 所 采 用 的 MOSFET 为 IRFP460 ， 其 典 型 参 数 为 ： Ciss=4.1nF ； Qg=120nC;VDS=500V;ID=20A;VGS=±20V。 测试电路为图 4 所示电路，开关频率为 50kHz。 从导通和关断时间来看：采用推挽式驱动电路时，开关管的导通时间和关断时间将近为 180ns；而采用 UCC27321 驱动芯片后，导通时间仅为 80ns，关断时间则为 70ns。从波形（见 图 5）来看：采用 UCC27321 驱动芯片后，功率管开通时，驱动电路提供的栅极电压具有快 速的上升沿，并一开始有一定的过冲；关断瞬时，提供了较大的反压，使管子可靠关断，开 关管的导通特性和关断特性明显改善。所以采用 UCC27321 驱动芯片构成的驱动电路，开 关管的开通和关断损耗都将会大大减小。
    6 结论 通过实验验证 UCC27321 驱动芯片具有良好的驱动特性，能快速驱动 MOSFET，从而 减小了开通和关断损耗。同时，通过设置使能端能设计出性能优异的保护电路，具有外围电 路简洁，实现电源，输入、输出地之间的解耦，可靠性高等优点。能很好地应用于高速 MOSFET 的驱动电路设计。
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