基于UCC27321高速MOSFET驱动芯片的功能与应用

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。