UCC2773x：高性能半橋柵極驅(qū)動器的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在電子工程師的設(shè)計領(lǐng)域中，柵極驅(qū)動器是電源轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用里不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 UCC2773x 系列高性能半橋柵極驅(qū)動器，看看它有哪些獨(dú)特的技術(shù)特性和應(yīng)用優(yōu)勢。

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一、UCC2773x 概述

UCC2773x 是一款 700V 半橋柵極驅(qū)動器，具備 3.5A 源電流和 4A 灌電流能力，專為驅(qū)動功率 MOSFET 和 IGBT 而設(shè)計。它由一個接地參考通道（LO）和一個浮動通道（HO）組成，可用于驅(qū)動采用自舉電源工作的半橋配置 MOSFET 和 IGBT。

1.1 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

• 高電壓處理能力：最高支持 +700V 的自舉電壓（HB 引腳），能滿足多種高壓應(yīng)用需求。
• 強(qiáng)大的驅(qū)動能力：峰值輸出電流為 4A 灌電流和 3.5A 源電流，可有效驅(qū)動功率器件。
• 低傳播延遲：典型傳播延遲僅 32ns，且 HO/LO 之間的傳播延遲匹配最大在 6ns 以內(nèi)，有助于減少脈沖失真。
• 寬電源電壓范圍：VDD 偏置電源范圍為 10V 至 21V，輸入引腳能承受 -6V 電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。
• 高抗噪能力：浮動通道的自舉操作設(shè)計，HS 引腳最大共模瞬態(tài)抗擾度達(dá) 200V/ns，可在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定工作。
• 輸入互鎖功能：防止上下橋臂同時導(dǎo)通，提高系統(tǒng)的安全性。
• 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輸出保持低電平。
• 多種封裝形式：提供 SOIC 14 引腳和 SOIC 8 引腳封裝，方便不同應(yīng)用場景的選擇。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

UCC2773x 適用于多種電源和驅(qū)動應(yīng)用，包括：

• 交直流電源：離線 AC 和 DC 電源中的半橋和全橋轉(zhuǎn)換器。
• 電動汽車與混合動力汽車：OBC 和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器、輔助逆變器。
• 大型家電：PFC 和電機(jī)驅(qū)動。
• 高密度開關(guān)電源：服務(wù)器、電信、IT 和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。
• 電池儲能系統(tǒng)：DC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器。

二、技術(shù)特性詳解

2.1 輸入級與互鎖功能

UCC2773x 的兩個輸入（HI 和 LI）獨(dú)立工作，但當(dāng)兩個輸入都為高電平或重疊時，兩個輸出（HO 和 LO）會被拉低，實(shí)現(xiàn)輸入互鎖或交叉導(dǎo)通保護(hù)。這種設(shè)計避免了上下橋臂同時導(dǎo)通的危險，且不影響傳播延遲和延遲匹配，沒有內(nèi)置的死區(qū)時間。輸入與 TTL 邏輯兼容，也能處理 CMOS 類型的控制信號，還能承受負(fù)電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

2.2 使能功能（僅 UCC27735）

使能功能在控制器位于隔離屏障次級側(cè)的應(yīng)用中非常有用。使能引腳基于非反相配置（高電平有效），通過 200kΩ 上拉電阻內(nèi)部上拉至 VDD，默認(rèn)狀態(tài)下驅(qū)動器輸出使能。使能功能響應(yīng)時間通常約為 32ns，可在發(fā)生關(guān)鍵故障（如初級側(cè)過流）時快速關(guān)閉驅(qū)動信號。

2.3 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動級均包含 UVLO 保護(hù)電路，分別監(jiān)測電源電壓（VVDD - VSS）和自舉電容電壓（VHB 至 VHS）。VDD UVLO 電路會抑制 LO 和 HO，而 HB UVLO 電路僅抑制 HO，確保在電源電壓不足時輸出保持低電平，防止外部 MOSFET 或 IGBT 意外導(dǎo)通。內(nèi)置的 UVLO 遲滯可防止電源電壓波動時出現(xiàn)振蕩。

2.4 電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路是低電壓輸入級與高側(cè)驅(qū)動級之間的接口，可實(shí)現(xiàn)對參考開關(guān)節(jié)點(diǎn)（HS）的 HO 輸出的控制，并與低側(cè)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)出色的延遲匹配。這使得 UCC2773x 在高頻開關(guān)應(yīng)用中能有效減少脈沖失真。

2.5 輸出級結(jié)構(gòu)

UCC2773x 的輸出級采用獨(dú)特的上拉結(jié)構(gòu)，在功率開關(guān)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的米勒平臺區(qū)域，能提供最高的峰值源電流。上拉結(jié)構(gòu)由一個 P 溝道 MOSFET 和一個額外的 N 溝道 MOSFET 并聯(lián)組成，N 溝道 MOSFET 在輸出從低電平變?yōu)楦唠娖綍r短暫導(dǎo)通，提供峰值源電流的短暫提升，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)軌到軌操作。

2.6 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)，有助于在高頻開關(guān)應(yīng)用中精確控制死區(qū)時間，減少脈沖失真。

2.7 HS 節(jié)點(diǎn) dV/dt 抗擾度

在半橋驅(qū)動器的典型開關(guān)操作中，HS 節(jié)點(diǎn)（開關(guān)節(jié)點(diǎn)）的電壓會在接地和母線電壓之間擺動。UCC2773x 能夠承受高達(dá) 200V/ns 的 dV/dt 轉(zhuǎn)換率，而不會出現(xiàn)信號失真、邏輯錯誤或損壞，使其適用于使用寬帶隙功率器件（如 SiC 和 GaN FET）的快速開關(guān)應(yīng)用和系統(tǒng)。

2.8 分離接地（COM 和 VSS）

UCC27735 具有兩個獨(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。分離接地有兩個優(yōu)點(diǎn)：一是高電流柵極驅(qū)動回路可以通過 COM 引腳局部連接，防止關(guān)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(guān)噪聲影響；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，有助于減少由于米勒電流注入導(dǎo)致的誤導(dǎo)通，特別是在 SiC FET 中。

2.9 負(fù) HS 電壓條件下的操作

在半橋配置中，由于功率電路中的寄生電感，HS 節(jié)點(diǎn)在開關(guān)過程中可能會出現(xiàn)負(fù)電壓。UCC2773x 能夠在這種負(fù)電壓條件下穩(wěn)健工作，但電平轉(zhuǎn)換電路的最小工作電源電壓為 3V，因此推薦的 HS 電壓規(guī)格取決于 HB - HS 電壓。一般來說，當(dāng) HB - HS = 12V 時，HS 可低至 -9V 仍能正常工作。

三、應(yīng)用與設(shè)計指南

3.1 典型應(yīng)用示例

以一個相移全橋電路為例，兩個 UCC2773x 可將 370V 至 410V DC 轉(zhuǎn)換為 12V，同時驅(qū)動高達(dá) 50A 的輸出電流。所有柵極驅(qū)動器由 UCC28950 控制，該電路展示了 UCC2773x 在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)大性能。

3.2 設(shè)計步驟與組件選擇

3.2.1 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 (R{HI}=R{LI}=10Ω)，(C{HI}=C{LI}=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，較高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。

3.2.2 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驅(qū)動 FET Q1 的柵極，且電容放電不超過 10%。一般規(guī)則是 (C{BOOT}) 至少為等效 FET 柵極電容（(C{gs})）的 10 倍。(C{g}) 可根據(jù)驅(qū)動高側(cè) FET 柵極的電壓（(V{Q1g})）和 FET 柵極電荷（(Q{g})）計算得出。例如，在一個設(shè)計示例中，估計 (V{Q1g}) 約為 14.4V，所選 FET 的 (Q{g}) 為 87nC，計算得出 (C{g}) 約為 6.04nF，因此 (C_{BOOT}) 至少應(yīng)為 60nF，最終選擇了 100nF 的電容。

3.2.3 選擇 VDD 旁路電容（(C_{VDD})）

對于具有分離接地的版本，建議為 (C{VDD - COM}) 和 (C{VDD - VSS}) 使用專用電容。計算 (C{VDD - COM}) 可采用與 (C{BOOT}) 類似的方法，在上述示例中，(C{VDD - COM}) 選擇為 100nF。(C{VDD - VSS}) 應(yīng)至少為 (C_{BOOT}) 的 10 倍，示例中選擇了 2μF 的電容。

3.2.4 選擇自舉電阻（(R_{BOOT})）

可選的自舉電阻 (R{BOOT}) 用于限制自舉二極管 (D{BOOT}) 中的電流，并限制 (V{HB - HS}) 電壓的上升斜率。在設(shè)計中，選擇了 2.2Ω 的限流電阻，將自舉二極管電流（(I{BOOT(pk)})）限制在約 6.5A。自舉電阻的功率耗散能力很重要，它必須能夠承受自舉電容初始充電過程中的短時間高功率耗散。

3.2.5 選擇柵極電阻 (R{HO} / R{LO})

柵極電阻 (R{HO}) 和 (R{LO}) 用于減少寄生電感和電容引起的振鈴，并限制從柵極驅(qū)動器流出的電流。在設(shè)計中，選擇了 3.01Ω 的電阻。通過相關(guān)公式可計算出最大 HO 驅(qū)動電流、最大 HO 灌電流、最大 LO 驅(qū)動電流和最大 LO 灌電流。

3.2.6 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。推薦具有快速反向恢復(fù)時間 (t{RR})、低正向電壓 (V{F}) 和低結(jié)電容的二極管。

3.2.7 估算 UCC2773x 功率損耗

UCC2773x 的功率損耗可通過計算幾個組件的損耗來估算，包括靜態(tài)損耗（由靜態(tài)電流和泄漏電流引起）和動態(tài)損耗（由驅(qū)動 FET 時的柵極電荷引起）。在示例中，總功率損耗約為 0.111W。

3.3 電源供應(yīng)建議

由于 UCC2773x 是 3.5A 峰值電流驅(qū)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 去耦電容，以確保開關(guān)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，對于具有大柵極電荷的系統(tǒng)，可并聯(lián)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(lián)一個 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。

3.4 布局指南

• 靠近功率器件：將 UCC2773x 盡可能靠近 MOSFET 放置，以最小化 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(qū)動器 HS 和 COM 的回流路徑長度。
• 靠近電容放置：將 VDD 電容（(C_{VDD})）和 VHB 電容（CBOOT）盡可能靠近 UCC2773x 的引腳放置。
• 限制自舉電流：在自舉二極管串聯(lián)一個 2Ω 至 5Ω 的電阻，以限制自舉電流。
• 添加 RC 濾波器：為 HI/LI 添加一個電阻為 1Ω 至 51Ω、電容為 10pF 至 390pF 的 RC 濾波器。
• 避免干擾：避免將 LI、EN 和 HI（驅(qū)動器輸入）走線靠近 HS 節(jié)點(diǎn)或其他高 dV/dt 走線，以免引入顯著噪聲。
• 分離走線：分離功率走線和信號走線，如輸出和輸入信號。
• 減少接地干擾：確?？刂频兀ㄝ斎胄盘枀⒖迹┲袥]有來自功率電路地的高開關(guān)電流流動。對于具有分離接地的器件，應(yīng)使用單獨(dú)的 VDD - COM 和 VDD - VSS 旁路電容，以減少接地反彈對驅(qū)動器的影響。

四、總結(jié)

UCC2773x 以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在電源轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域的設(shè)計提供了強(qiáng)大的支持。其高電壓處理能力、低傳播延遲、高抗噪能力和完善的保護(hù)功能，使其能夠滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的需求。在實(shí)際設(shè)計中，合理選擇組件和優(yōu)化布局是確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。希望通過本文的介紹，能幫助工程師更好地理解和應(yīng)用 UCC2773x 系列柵極驅(qū)動器。你在使用 UCC2773x 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。