UCC2773x：高性能半橋柵極驅動器的全面解析

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的柵極驅動器對于電源轉換和功率控制至關重要。今天，我們就來深入探討一款高性能的700V半橋柵極驅動器——UCC2773x。

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一、UCC2773x概述

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

1. 主要特性

• 高側和低側獨立配置：每個通道由獨立的輸入引腳（HI和LI）控制，可靈活控制輸出的開關狀態(tài)。
• 高耐壓能力：自舉電壓最高可達700V（HB引腳），能滿足多種高壓應用需求。
• 強大的驅動能力：峰值輸出電流為4A灌電流和3.5A源電流，確?？焖衮寗庸β势骷?/li>
• 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，可減少高頻開關應用中的脈沖失真。
• 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200V/ns。
• 輸入互鎖功能：防止上下橋臂同時導通，提高系統安全性。
• 欠壓鎖定保護：內置8V欠壓鎖定（UVLO）保護，確保在電源電壓不足時輸出保持低電平。
• 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. 應用領域

UCC2773x的應用非常廣泛，包括但不限于以下領域：

• 電源轉換器：用于離線AC和DC電源中的半橋和全橋轉換器。
• 電動汽車和混合動力汽車：如車載充電器（OBC）、DC - DC轉換器和輔助逆變器。
• 大型家電和白色家電：功率因數校正（PFC）和電機驅動。
• 高密度開關電源：適用于服務器、電信、IT和工業(yè)基礎設施。
• 電池儲能系統：DC/DC和DC/AC轉換器。

二、UCC2773x詳細特性分析

1. 輸入級和互鎖功能

UCC2773x的兩個輸入（HI和LI）獨立工作，但當兩個輸入都為高電平或重疊時，輸出（HO和LO）將被拉低，實現輸入互鎖保護，防止上下橋臂同時導通。這種設計避免了傳統柵極驅動器單輸入的局限性，且不影響傳播延遲和延遲匹配，沒有內置死區(qū)時間。輸入與TTL邏輯兼容，也能與CMOS控制信號配合使用，可連接數字或模擬控制器輸出，還能接受寬擺率信號并承受負電壓，在輸入處添加小RC濾波器可進一步提高系統抗噪性。

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側的應用。使能引腳采用非反相配置（高電平有效），內部通過200kΩ上拉電阻連接到VDD，默認狀態(tài)下輸出使能。使能功能響應時間約為32ns，可在發(fā)生初級側過流等關鍵故障時快速關閉驅動器信號。使能引腳的輸入閾值邏輯與TTL和CMOS兼容，獨立于電源電壓，可由3.3V和5V微控制器有效控制。

3. 欠壓鎖定（UVLO）保護

高側和低側驅動級均配備UVLO保護電路，分別監(jiān)測VDD - VSS電源電壓和自舉電容電壓（VHB - VHS）。VDD UVLO電路會抑制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輸出保持低電平，防止外部MOSFET或IGBT異常導通。內置的UVLO遲滯可防止電源電壓波動時出現振蕩。

4. 電平轉換電路

電平轉換電路是低電壓輸入級與高側驅動級之間的接口，使HO輸出能夠參考HS引腳進行控制，并與低側驅動器實現出色的延遲匹配。這種設計確保了在不同電壓參考下的信號傳輸準確性，提高了系統的穩(wěn)定性和可靠性。

5. 輸出級結構

UCC2773x的輸出級采用獨特的上拉結構，在功率開關導通的米勒平臺區(qū)域能夠提供最大的峰值源電流。上拉結構由一個P溝道MOSFET和一個額外的N溝道MOSFET并聯組成，N溝道MOSFET在輸出從低電平變?yōu)楦唠娖降乃查g短暫導通，提供峰值源電流的快速提升，實現快速導通。下拉結構由一個N溝道MOSFET組成。每個輸出級能夠提供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，實現軌到軌操作。

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。這種特性有助于在高頻開關應用中精確控制死區(qū)時間，減少脈沖失真，提高系統效率和性能。

7. HS節(jié)點dV/dt抗擾度

在半橋驅動器的典型開關操作中，HS（開關節(jié)點）電壓在接地和母線電壓之間擺動。UCC2773x能夠承受高達200V/ns的dV/dt轉換率而不會出現信號失真、邏輯錯誤或損壞。這種高dV/dt抗擾度使UCC2773x能夠在更快的開關應用和使用寬帶隙功率器件（如SiC和GaN FET）的系統中穩(wěn)定運行。

8. 分離接地（COM和VSS）

UCC27735具有兩個獨立的接地引腳COM和VSS，LO引腳參考COM，輸入引腳（HI、LI、EN、VDD）參考VSS。分離接地帶來兩個優(yōu)點：一是高電流柵極驅動回路可以通過COM引腳局部連接，避免關斷柵極電流通過VSS引腳返回，減少接地反彈，保持輸入電壓參考不受開關噪聲干擾；二是電平轉換器允許COM偏置在與VSS不同的電壓，可使用負關斷偏置，有助于減少SiC FET中由于米勒電流注入引起的誤導通。

9. 負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引腳在開關過程中可能會出現負電壓。UCC2773x能夠在這種負電壓條件下穩(wěn)定運行，但為確保電平轉換電路正常工作，需要保證其供電電壓不低于3V。當HB - HS = 12V時，HS最低可工作在 - 9V。實際應用中，建議通過布局和設計將負瞬態(tài)限制在器件推薦規(guī)格范圍內。

三、UCC2773x應用設計

1. 典型應用電路

以一個將370V - 410V DC轉換為12V，輸出電流高達50A的移相全橋電路為例，使用兩個UCC2773x驅動器，由UCC28950控制器控制。

2. 設計步驟

（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，以過濾高頻噪聲。典型推薦值為RHI = RLI = 10Ω，CHI = CLI = 390pF。濾波器的參數應根據所需的傳播延遲、噪聲頻率和幅度進行調整，較大的電阻和電容值可過濾更多噪聲，但會增加輸入信號的上升和下降時間，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）

自舉電容的大小應確保有足夠的電荷來驅動FET Q1的柵極，且電容放電不超過10%。一般原則是CBOOT至少為等效FET柵極電容（Cg）的10倍。Cg根據驅動高端FET柵極的電壓（VQ1g）和FET柵極電荷（Qg）計算得出。例如，在設計中VQ1g約為14.4V，Qg為87nC，計算得到Cg約為6.04nF，因此CBOOT應至少為60nF，實際選擇了100nF的電容。

（3）選擇VDD旁路電容（CVDD）

對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的計算方法與CBOOT類似，可選用相同的值。CVDD應至少為CBOOT的10倍，在設計中選擇了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。在設計中選擇了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，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程中的短時間高功率耗散。

（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，并限制柵極驅動器的輸出電流。在設計中選擇了3.01Ω的電阻。通過計算可以確定最大HO和LO驅動電流和灌電流，以確保滿足功率器件的驅動要求。

（6）選擇自舉二極管

應選擇快速恢復二極管，以避免反向恢復損耗導致自舉電容放電。推薦選擇反向恢復時間短（tRR）、正向電壓低（VF）和結電容低的二極管。

（7）估算UCC2773x的功率損耗

UCC2773x的功率損耗（PUCC2773x）由多個部分組成，包括靜態(tài)損耗和動態(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，動態(tài)損耗主要由驅動FET時的柵極電荷引起。通過計算各部分損耗并相加，可以得到總的功率損耗，為散熱設計提供依據。

3. 電源供應建議

由于UCC2773x是3.5A峰值電流驅動器，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，以確保開關過程中電源的穩(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，對于柵極電荷較大的系統，可并聯一個較大的電解電容作為儲能電容。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一個較小的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度，以及從MOSFET/IGBT源極/發(fā)射極到驅動器HS和COM的回流路徑長度。
• 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：在自舉二極管串聯一個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（驅動器輸入）走線靠近HS節(jié)點或其他高dV/dt走線，防止引入噪聲。
• 分離走線：分離功率走線和信號走線，如輸出和輸入信號，避免相互干擾。
• 減少接地反彈：確保功率電路的高開關電流不會流入控制接地（輸入信號參考），對于分離接地的器件，使用單獨的VDD - COM和VDD - VSS旁路電容，以減少接地反彈對驅動器的影響。

四、總結

UCC2773x憑借其高性能、高可靠性和豐富的保護功能，成為了離線AC - DC電源和逆變器應用中的理想柵極驅動器選擇。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計要求，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。你在使用UCC2773x或其他柵極驅動器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。