基于UCC27321高速M(fèi)OSFET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(lái)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(kāi)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。

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：

　　①功率管開(kāi)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(kāi)始有一定的過(guò)沖，以加速開(kāi)通過(guò)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。

　?、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(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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(kāi)通時(shí)有很高的電壓尖峰。為防止柵源電壓過(guò)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(kāi)通時(shí)UCC27321能提供幾百納秒的9A峰值電流，使其迅速開(kāi)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(kāi)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： fs為開(kāi)關(guān)管的工作頻率

　　如果驅(qū)動(dòng)芯片與柵極之間沒(méi)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(shuō)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。

　　（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(kāi)關(guān)頻率為50kHz。從導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)看：采用推挽式驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，開(kāi)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(jiàn)圖5）來(lái)看：采用UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片后，功率管開(kāi)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(kāi)始有一定的過(guò)沖；關(guān)斷瞬時(shí)，提供了較大的反壓，使管子可靠關(guān)斷，開(kāi)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗都將會(huì)大大減小。

　　6　結(jié)論

　　通過(guò)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(kāi)通和關(guān)斷損耗。同時(shí)，通過(guò)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)。