UCC2773x：高性能半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的全面解析

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于電源轉(zhuǎn)換和功率控制至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一款高性能的700V半橋柵極驅(qū)動(dòng)器——UCC2773x。

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一、UCC2773x概述

UCC2773x專為離線AC - DC電源和逆變器設(shè)計(jì)，具有3.5A源電流和4A灌電流能力，能夠驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和IGBT。它由一個(gè)接地參考通道（LO）和一個(gè)浮動(dòng)通道（HO）組成，浮動(dòng)通道采用自舉電源設(shè)計(jì)，可處理高達(dá)700V的電壓。

1. 主要特性

• 高側(cè)和低側(cè)獨(dú)立配置：每個(gè)通道由獨(dú)立的輸入引腳（HI和LI）控制，可靈活控制輸出的開關(guān)狀態(tài)。
• 高耐壓能力：自舉電壓最高可達(dá)700V（HB引腳），能滿足多種高壓應(yīng)用需求。
• 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力：峰值輸出電流為4A灌電流和3.5A源電流，確?？焖衮?qū)動(dòng)功率器件。
• 低傳播延遲：典型傳播延遲為32ns，且HO/LO之間的傳播延遲匹配最大在6ns以內(nèi)，可減少高頻開關(guān)應(yīng)用中的脈沖失真。
• 寬偏置電源范圍：VDD偏置電源范圍為10V至21V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 高抗噪能力：輸入引腳能承受 - 6V電壓，HS引腳的共模瞬態(tài)抗擾度最高可達(dá)200V/ns。
• 輸入互鎖功能：防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，提高系統(tǒng)安全性。
• 欠壓鎖定保護(hù)：內(nèi)置8V欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)，確保在電源電壓不足時(shí)輸出保持低電平。
• 多種封裝形式：提供SOIC 8引腳和SOIC 14引腳封裝，方便不同的PCB布局需求。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

UCC2773x的應(yīng)用非常廣泛，包括但不限于以下領(lǐng)域：

• 電源轉(zhuǎn)換器：用于離線AC和DC電源中的半橋和全橋轉(zhuǎn)換器。
• 電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車：如車載充電器（OBC）、DC - DC轉(zhuǎn)換器和輔助逆變器。
• 大型家電和白色家電：功率因數(shù)校正（PFC）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
• 高密度開關(guān)電源：適用于服務(wù)器、電信、IT和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。
• 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器。

二、UCC2773x詳細(xì)特性分析

1. 輸入級(jí)和互鎖功能

UCC2773x的兩個(gè)輸入（HI和LI）獨(dú)立工作，但當(dāng)兩個(gè)輸入都為高電平或重疊時(shí)，輸出（HO和LO）將被拉低，實(shí)現(xiàn)輸入互鎖保護(hù)，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器單輸入的局限性，且不影響傳播延遲和延遲匹配，沒(méi)有內(nèi)置死區(qū)時(shí)間。輸入與TTL邏輯兼容，也能與CMOS控制信號(hào)配合使用，可連接數(shù)字或模擬控制器輸出，還能接受寬擺率信號(hào)并承受負(fù)電壓，在輸入處添加小RC濾波器可進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗噪性。

2. 使能功能（僅UCC27735）

UCC27735的第4引腳提供使能功能，適用于控制器位于隔離屏障次級(jí)側(cè)的應(yīng)用。使能引腳采用非反相配置（高電平有效），內(nèi)部通過(guò)200kΩ上拉電阻連接到VDD，默認(rèn)狀態(tài)下輸出使能。使能功能響應(yīng)時(shí)間約為32ns，可在發(fā)生初級(jí)側(cè)過(guò)流等關(guān)鍵故障時(shí)快速關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。使能引腳的輸入閾值邏輯與TTL和CMOS兼容，獨(dú)立于電源電壓，可由3.3V和5V微控制器有效控制。

3. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)級(jí)均配備UVLO保護(hù)電路，分別監(jiān)測(cè)VDD - VSS電源電壓和自舉電容電壓（VHB - VHS）。VDD UVLO電路會(huì)抑制LO和HO輸出，HB UVLO電路僅抑制HO輸出，確保在電源電壓不足時(shí)輸出保持低電平，防止外部MOSFET或IGBT異常導(dǎo)通。內(nèi)置的UVLO遲滯可防止電源電壓波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振蕩。

4. 電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路是低電壓輸入級(jí)與高側(cè)驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的接口，使HO輸出能夠參考HS引腳進(jìn)行控制，并與低側(cè)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)出色的延遲匹配。這種設(shè)計(jì)確保了在不同電壓參考下的信號(hào)傳輸準(zhǔn)確性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5. 輸出級(jí)結(jié)構(gòu)

UCC2773x的輸出級(jí)采用獨(dú)特的上拉結(jié)構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺(tái)區(qū)域能夠提供最大的峰值源電流。上拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)P溝道MOSFET和一個(gè)額外的N溝道MOSFET并聯(lián)組成，N溝道MOSFET在輸出從低電平變?yōu)楦唠娖降乃查g短暫導(dǎo)通，提供峰值源電流的快速提升，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)N溝道MOSFET組成。每個(gè)輸出級(jí)能夠提供3.5A峰值源電流和4A峰值灌電流脈沖，輸出電壓在（VDD和COM）以及（HB和HS）之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。

6. 低傳播延遲和緊密匹配的輸出

UCC2773x具有快速的傳播延遲，典型值為32ns，且HO和LO通道之間的延遲匹配最大在6ns以內(nèi)。這種特性有助于在高頻開關(guān)應(yīng)用中精確控制死區(qū)時(shí)間，減少脈沖失真，提高系統(tǒng)效率和性能。

7. HS節(jié)點(diǎn)dV/dt抗擾度

在半橋驅(qū)動(dòng)器的典型開關(guān)操作中，HS（開關(guān)節(jié)點(diǎn)）電壓在接地和母線電壓之間擺動(dòng)。UCC2773x能夠承受高達(dá)200V/ns的dV/dt轉(zhuǎn)換率而不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真、邏輯錯(cuò)誤或損壞。這種高dV/dt抗擾度使UCC2773x能夠在更快的開關(guān)應(yīng)用和使用寬帶隙功率器件（如SiC和GaN FET）的系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。

8. 分離接地（COM和VSS）

UCC27735具有兩個(gè)獨(dú)立的接地引腳COM和VSS，LO引腳參考COM，輸入引腳（HI、LI、EN、VDD）參考VSS。分離接地帶來(lái)兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是高電流柵極驅(qū)動(dòng)回路可以通過(guò)COM引腳局部連接，避免關(guān)斷柵極電流通過(guò)VSS引腳返回，減少接地反彈，保持輸入電壓參考不受開關(guān)噪聲干擾；二是電平轉(zhuǎn)換器允許COM偏置在與VSS不同的電壓，可使用負(fù)關(guān)斷偏置，有助于減少SiC FET中由于米勒電流注入引起的誤導(dǎo)通。

9. 負(fù)HS電壓條件下的操作

在典型的半橋配置中，由于功率電路中的寄生電感，HS引腳在開關(guān)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓。UCC2773x能夠在這種負(fù)電壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行，但為確保電平轉(zhuǎn)換電路正常工作，需要保證其供電電壓不低于3V。當(dāng)HB - HS = 12V時(shí)，HS最低可工作在 - 9V。實(shí)際應(yīng)用中，建議通過(guò)布局和設(shè)計(jì)將負(fù)瞬態(tài)限制在器件推薦規(guī)格范圍內(nèi)。

三、UCC2773x應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 典型應(yīng)用電路

以一個(gè)將370V - 410V DC轉(zhuǎn)換為12V，輸出電流高達(dá)50A的移相全橋電路為例，使用兩個(gè)UCC2773x驅(qū)動(dòng)器，由UCC28950控制器控制。

2. 設(shè)計(jì)步驟

（1）選擇HI和LI低通濾波器組件

在PWM控制器和UCC2773x輸入引腳之間添加RC濾波器，以過(guò)濾高頻噪聲。典型推薦值為RHI = RLI = 10Ω，CHI = CLI = 390pF。濾波器的參數(shù)應(yīng)根據(jù)所需的傳播延遲、噪聲頻率和幅度進(jìn)行調(diào)整，較大的電阻和電容值可過(guò)濾更多噪聲，但會(huì)增加輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間，降低有效傳播延遲。如果需要更高的抗噪能力，也可在EN引腳添加RC濾波器。

（2）選擇自舉電容（CBOOT）

自舉電容的大小應(yīng)確保有足夠的電荷來(lái)驅(qū)動(dòng)FET Q1的柵極，且電容放電不超過(guò)10%。一般原則是CBOOT至少為等效FET柵極電容（Cg）的10倍。Cg根據(jù)驅(qū)動(dòng)高端FET柵極的電壓（VQ1g）和FET柵極電荷（Qg）計(jì)算得出。例如，在設(shè)計(jì)中VQ1g約為14.4V，Qg為87nC，計(jì)算得到Cg約為6.04nF，因此CBOOT應(yīng)至少為60nF，實(shí)際選擇了100nF的電容。

（3）選擇VDD旁路電容（CVDD）

對(duì)于具有分離接地的器件版本，建議分別使用CVDD - COM和CVDD - VSS旁路電容。CVDD - COM的計(jì)算方法與CBOOT類似，可選用相同的值。CVDD應(yīng)至少為CBOOT的10倍，在設(shè)計(jì)中選擇了2μF的電容。

（4）選擇自舉電阻（RBOOT）

可選的自舉電阻RBOOT用于限制自舉二極管（DBOOT）中的電流和VHB - HS電壓的上升斜率。在設(shè)計(jì)中選擇了2.2Ω的電流限制電阻，將自舉二極管電流（IBOOT(pk)）限制在約6.5A。同時(shí)，要注意自舉電阻的功率耗散能力，確保其能夠承受自舉電容初始充電過(guò)程中的短時(shí)間高功率耗散。

（5）選擇柵極電阻（RHO / RLO）

柵極電阻RHO和RLO用于減少寄生電感和電容引起的振鈴，并限制柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。在設(shè)計(jì)中選擇了3.01Ω的電阻。通過(guò)計(jì)算可以確定最大HO和LO驅(qū)動(dòng)電流和灌電流，以確保滿足功率器件的驅(qū)動(dòng)要求。

（6）選擇自舉二極管

應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管，以避免反向恢復(fù)損耗導(dǎo)致自舉電容放電。推薦選擇反向恢復(fù)時(shí)間短（tRR）、正向電壓低（VF）和結(jié)電容低的二極管。

（7）估算UCC2773x的功率損耗

UCC2773x的功率損耗（PUCC2773x）由多個(gè)部分組成，包括靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗。靜態(tài)損耗主要由靜態(tài)電流（IQDD、IQBS）和泄漏電流（IBL）引起，動(dòng)態(tài)損耗主要由驅(qū)動(dòng)FET時(shí)的柵極電荷引起。通過(guò)計(jì)算各部分損耗并相加，可以得到總的功率損耗，為散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3. 電源供應(yīng)建議

由于UCC2773x是3.5A峰值電流驅(qū)動(dòng)器，需要在VDD端子到VSS/COM端子之間盡可能靠近地放置低ESR的去耦電容，以確保開關(guān)過(guò)程中電源的穩(wěn)定性。推薦使用具有穩(wěn)定溫度特性的陶瓷電容，如X7R或更好的電容。此外，對(duì)于柵極電荷較大的系統(tǒng)，可并聯(lián)一個(gè)較大的電解電容作為儲(chǔ)能電容。推薦的電解電容為22μF、50V，去耦電容為1μF 0805尺寸的50V X7R電容，理想情況下可再并聯(lián)一個(gè)較小的100nF 0603尺寸的50V X7R電容。同樣，HB - HS電源端子也建議使用低ESR的X7R電容，并盡可能靠近器件引腳放置。

4. PCB布局指南

• 靠近功率器件：將UCC2773x盡可能靠近MOSFET放置，以減少HO/LO與MOSFET/IGBT柵極之間的高電流走線長(zhǎng)度，以及從MOSFET/IGBT源極/發(fā)射極到驅(qū)動(dòng)器HS和COM的回流路徑長(zhǎng)度。
• 電容靠近引腳：將VDD電容（CVDD）和VHB電容（CBOOT）盡可能靠近UCC2773x的引腳放置，以減少寄生電感和電阻。
• 限制自舉電流：在自舉二極管串聯(lián)一個(gè)2Ω - 5Ω的電阻，以限制自舉電流。
• 添加RC濾波器：為HI/LI輸入添加一個(gè)電阻為1Ω - 51Ω、電容為10pF - 390pF的RC濾波器，以提高抗噪能力。
• 避免干擾：避免LI、EN和HI（驅(qū)動(dòng)器輸入）走線靠近HS節(jié)點(diǎn)或其他高dV/dt走線，防止引入噪聲。
• 分離走線：分離功率走線和信號(hào)走線，如輸出和輸入信號(hào)，避免相互干擾。
• 減少接地反彈：確保功率電路的高開關(guān)電流不會(huì)流入控制接地（輸入信號(hào)參考），對(duì)于分離接地的器件，使用單獨(dú)的VDD - COM和VDD - VSS旁路電容，以減少接地反彈對(duì)驅(qū)動(dòng)器的影響。

四、總結(jié)

UCC2773x憑借其高性能、高可靠性和豐富的保護(hù)功能，成為了離線AC - DC電源和逆變器應(yīng)用中的理想柵極驅(qū)動(dòng)器選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇外部組件，并遵循正確的PCB布局指南，以充分發(fā)揮UCC2773x的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用UCC2773x或其他柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。