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1 引言 隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型的驅動(dòng)芯片層出不窮，為驅動(dòng)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(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，快速的驅動(dòng)芯片。 2 UCC27321的功能和特點(diǎn) TI公司推出的新的MOSFET驅動(dòng)芯片能輸出9A的峰值電流，能夠快速地驅動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管，在10nF的負載下，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是給設計者預留的引腳端，為高電平有效（見(jiàn)表1）。在標準工業(yè)應用中，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(guò)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(lián)結構，能在幾百納秒的時(shí)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(shí)，其輸出阻抗為MOSFET的Ron。當驅動(dòng)電壓過(guò)低或過(guò)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情況下，無(wú)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(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動(dòng)關(guān)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(dòng)電路的一般要求和最佳驅動(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MOSFET各端點(diǎn)的連接線(xiàn)長(cháng)度，特別是柵極引線(xiàn)。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） ②由于MOSFET的輸入阻抗高，驅動(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的驅動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間與驅動(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的最佳驅動(dòng)特性應具有： ①功率管開(kāi)通時(shí)，驅動(dòng)電路提供的柵極電壓應有快速的上升沿，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(tài)，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(guān)斷瞬時(shí)，驅動(dòng)電路應提供足夠的反壓，使漏極電流迅速下降，加速關(guān)斷過(guò)程。（圖3為最佳柵極驅動(dòng)電壓波形）
圖3 最佳柵極驅動(dòng)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(mén)產(chǎn)生。我們不需要對輸入信號進(jìn)行整形而刻意減小驅動(dòng)速度。若想限制其驅動(dòng)速度，可在其輸出端與負載間串一個(gè)電阻，有助于吸收驅動(dòng)芯片的損耗。 驅動(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，我們在電路布局上應加以注意： 總的來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)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(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之間加一對反并聯(lián)二極管，實(shí)現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，根據公式
⑵驅動(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，驅動(dòng)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(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。 當電容放電時(shí)，對地傳輸的能量也為E。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 )損耗在驅動(dòng)芯片內部：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： 根據以上方程式可以確定功率MOSFET的所需柵極電壓。 5 應用實(shí)例 圖4給出了應用于推挽正激的驅動(dòng)電路： （a）為運用UCC27321的光耦隔離驅動(dòng)。由于上管和下管不共地，為了實(shí)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(jiǎn)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(dòng),由于采用變壓器實(shí)現電氣隔離，進(jìn)行電流、電壓變換，應用范圍較廣。但缺點(diǎn)是體積重量較大，驅動(dòng)變壓器容易激磁飽和，設計相對困難。 實(shí)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(kāi)關(guān)頻率為50kHz。從導通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)看：采用推挽式驅動(dòng)電路時(shí)，開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間將近為180ns；而采用 UCC27321驅動(dòng)芯片后，導通時(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驅動(dòng)芯片后，功率管開(kāi)通時(shí)，驅動(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)管的導通特性和關(guān)斷特性明顯改善。所以采用UCC27321驅動(dòng)芯片構成的驅動(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 結論 通過(guò)實(shí)驗驗證UCC27321驅動(dòng)芯片具有良好的驅動(dòng)特性，能快速驅動(dòng)MOSFET，從而減小了開(kāi)通和關(guān)斷損耗。同時(shí)，通過(guò)設置使能端能設計出性能優(yōu)異的保護電路，具有外圍電路簡(jiǎn)潔，實(shí)現電源，輸入、輸出地之間的解耦，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。能很好地應用于高速MOSFET的驅動(dòng)電路設計。 作者：戴衛力 王慧貞 來(lái)源：《電源世界》 2004-12 |
