【硬件设计】（更新中）以 UCC27710 为例设计栅极驱动器元件选型（资料摘抄）

还没更新完。。。。。。。

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本文摘抄翻译自：

Bootstrap Network Analysis: Focusing on the Integrated Bootstrap Functionality (infineon.com)
Bootstrap Circuitry Selection for Half Bridge Configurations (Rev. A)
具有互锁功能的 UCC27710 620V、0.5A、1.0A 高侧低侧栅极驱动器 datasheet (Rev. B) (ti.com.cn)

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1 栅极驱动器概述

为了实现功率器件的快速开关并减少相关的开关功率损耗，在控制器的 PWM 输出和功率半导体器件的栅极之间采用了强大的栅极驱动器。此外，当 PWM 控制器无法直接驱动开关器件的栅极时，栅极驱动器也是必不可少的。随着数字电源的出现，这种情况会经常遇到，因为来自数字控制器的 PWM 信号通常是 3.3V 逻辑信号，无法有效地打开电源开关。需要电平转换电路将 3.3V 信号提升至栅极驱动电压（例如 12V），以便完全开启功率器件并最大限度地减少传导损耗。传统的缓冲驱动电路以 NPN/PNP 双极晶体管为基础，采用发射极跟随器配置，由于缺乏电平转换功能，因此无法满足数字电源的要求。

栅极驱动器有效地结合了电平转换和缓冲驱动功能。栅极驱动器还满足其他需求，例如通过将大电流驱动器安装在靠近功率开关的位置，最大限度地降低高频开关噪声的影响；驱动栅极驱动变压器和控制浮动功率器件栅极；通过将栅极电荷功率损耗从控制器转移到驱动器中，降低功率耗散和控制器的热应力。

UCC27710 是一款 620V 高侧和低侧栅极驱动器，具有 0.5A 拉电流、1.0A 灌电流能力，专用于驱动功率 MOSFET 或 IGBT。对于 IGBT，建议的 VDD 工作电压为 10V 至 20V；对于 MOSFET，建议的 VDD 工作电压为 17V：

UCC27710 电气参数（在 VDD = VHB = 15V、COM = VHS = 0、-40°C<T J <+125°C 时）如下：

其中，后文计算需用到的参数的典型值需重点关注：

I QBS（静态 HB-HS 电源电流）：65μA

2 半桥驱动应用设计

图 44 中的电路显示了使用 UCC27710 驱动典型半桥配置的参考设计示例，该配置可用于多种常见电源转换器拓扑，例如同步降压、同步升压、半桥/全桥隔离拓扑和电机驱动应用。

表 4 显示了示例应用的参考设计参数： UCC27710 用于以高低侧配置驱动 650V MOSFET。

-Power Transistor：功率晶体管；Input signal amplitude：输入信号幅度；Switching Frequency：开关频率；DC Link Voltage：直流链路电压-

以下过程概述了设计具有 0.5A 拉电流和 1.0A 灌电流能力的 600V 高侧、低侧栅极驱动器的步骤，旨在使用 UCC27710 驱动功率 MOSFET 或 IGBT。

2.1 HI 和 LI 低通滤波器元件的选择（R HI，R LI，C HI，C LI）

建议用户避免对栅极驱动器的输入信号进行整形，以试图减慢（或延迟）驱动器输出处的信号。然而，最好在 PWM 控制器和 UCC27710 的输入引脚之间添加一个小型 RC 滤波器来过滤高频噪声，如图 44 所示的 R HI & C HI 和 R LI & C LI。

这种滤波器应使用 10 Ω 至 100 Ω 范围内的 R HI、R LI，以及 10pF 至 220pF 范围内的 C HI、C LI。在本示例中，选择了 R HI = R LI = 49.9 Ω 和 C HI = C LI = 33pF 。

2.2 自举元件的选择

2.2.1 自举电路的基本工作原理

为栅极驱动器 IC 的高侧驱动电路供电的最广泛使用的方法之一是自举电源。自举电源由自举电阻（Bootstrap Resistor）、自举二极管（Bootstrap Diode）和自举电容（Bootstrap Capacitor）组成；该电路如 Figure 1 所示。

自举电容电压 (VBS) 可以达到的最大电压取决于图 1 中所示的自举电路的元件。Rboot 上的压降、自举二极管的 VF、低压侧开关上的压降（VCEon 或 VFP，取决于流过开关的电流方向），以及放置在低压侧开关发射极和直流侧之间的分流电阻（ Figure 1 中未显示）上的压降（如果存在），都需要考虑在内。

自举电路采用半桥配置来为高侧 FET 提供偏置。图 2-1 展示了采用简化半桥配置的自举电路的充电路径。当低压侧 FET 导通、高压侧 FET 关断时，HS 引脚和开关节点被拉低到地；VDD 辅助电源通过旁路电容器经由自举二极管和电阻为自举电容器充电。

如图 2-2 所示，当低压侧 FET 关断、高压侧开启时，栅极驱动器的 HS 引脚和开关节点被拉高至高压总线 HV；自举电容器通过栅极驱动器的 HO 和 HS 引脚向高压侧 FET 释放部分存储电压（充电过程中积累的电压）。

2.2.2 自举电容的选择（C BOOT）

从设计角度来看，这是最重要的元件，因为它提供了低阻抗路径来提供高峰值电流，从而为高侧开关充电。根据一般的经验法则，该自举电容器的大小应确保能够提供足够的能量来驱动高侧 MOSFET 的栅极，而不会导致损耗超过 10%。该自举电容器应至少比高侧 FET 的栅极电容 Cg 大 10 倍。其原因是需要考虑直流偏置和温度导致的电容变化，另外还有负载瞬态期间跳过的周期。

        栅极电容 Cg 可以使用方程式 1 来确定：

$C_{g} = \frac{Q_{g}}{V_{Q1g}}$ （1）

        其中：

Qg：栅极电荷（MOSFET 的数据手册）；
VQ1g = VDD − VBootDiode（其中，VBootDiode：自举二极管上的正向压降）。

        确定栅极电荷 Cg 后，可以使用方程式 2 来估算自举电容的最小值：

$C_{BOOT} \geqslant 10 \times × C_{g}$ （2）

        或者，可以使用方程式 3 来更准确地计算最小自举电容值：

$C_{BOOT} \geqslant \frac{Q_{total}}{\Delta V_{HB}}$ （3）

$Q_{total} = Q_{G} + I_{HBS} \times \frac{D_{max}}{f_{sw}} + \frac{I_{HB}}{f_{sw}}$

        其中：

QG：总 MOSFET 栅极电荷（MOSFET 的数据手册）；
IHBS：HB 到 VSS 漏电流（栅极驱动器的数据手册）；
Dmax：最大占空比；
IHB：HB 静态电流（栅极驱动器的数据手册）；
∆VHB = VDD − VDH − VHBL，其中：
VDD：栅极驱动器 IC 的电源电压；
VDH：自举二极管正向压降（自举二极管数据手册）；
VHBL：HBUVLO 下降阈值（栅极驱动器的数据手册）。

        需要注意的是，如果值低于所需的最小自举电容值，可能会激活驱动器的 UVLO，从而过早关断高侧 FET。另一方面，较高的自举电容值会在某些情况下（在对自举电容器进行初始充电时或具有较窄的自举充电周期）导致较低的纹波电压和较长的反向恢复时间，以及较高的峰值电流流过自举二极管。方程式 4 展示了自举电容与流经自举二极管的峰值电流之间的关系：

$I_{peak} = C_{BOOT} \times \frac{Dv}{dt}$ （4）

        通常建议使用具有良好额定电压 (2xVDD)、温度系数和电容差的低 ESR 和低 ESL、表面贴装型多层陶瓷电容器 (MLCC)。

下面以 UCC27710 进行举例计算：

启动电容器的大小应足以将 FET Q1 的栅极驱动至高电平，并为功率晶体管维持稳定的栅极驱动电压。每个开关周期所需的总电荷量通过以下式子估算：

其中，总栅极电荷 QG 取的 31.5nC 这一数值，应该在所用 P 沟道 MOSFET 的数据手册上可以找到或计算得出。

QG 相关知识可参看：

Can you explain more about MOSFET's Qg, Qgs, and Qgd parameters? | Renesas Customer Hub
Electrical characteristics of MOSFETs (Charge Characteristic Qg/Qgs1/Qgd/QSW/QOSS) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation | Asia-English (semicon-storage.com)
何谓总栅极电荷（Qg）_罗姆半导体集团(ROHM Semiconductor)

本设计示例的目标电容器纹波电压为 0.5V。因此，CBOOT 的最低要求是：

实际上，CBOOT 的值需要大于计算值。这样可以考虑直流偏压和温度引起的电容偏移，以及负载瞬态时发生的跳变周期。在本设计示例中，选择 220nF 电容器作为自举电容：

2.2.3 VDD 旁路/保持电容 (C VDD) 和 R BIAS 的选择

为自举电容器充电的电荷必须来自某个较大的旁路电容器，通常为 VDD 旁路电容器。根据经验，此旁路电容器的大小应至少比自举电容器大 10 倍，以便它不会在自举电容器充电期间完全耗尽电荷。这样便可以在充电序列期间正确地为自举电容器充电。在最坏的情况下，该 10 倍的比率会在 VDD 电容器上产生 10% 的最大纹波。

VDD 电容 (CVDD) 应选择为至少比 CBOOT 大 10 倍，以便在为启动电容器充电时 VDD 电容器上的压降最小。对于本设计示例，选择了 2.2μF 电容：

建议将 10 Ω 电阻 R_BIAS 与偏置电源和 VDD 引脚串联，以使 VDD 斜坡上升时间大于 20μs，以最大限度地减少 LO 和 HO 上升，如图 45 所示：

附模电基础概念回顾——MOSFET

摘自：模拟电子技术基础（第四版）教材

-源极 s 漏极 d 栅极 g-

场效应管（FET，Feild Effect Transistor）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。

绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管（MOS，Metal-Oxide-Semiconductor）。与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。凡栅 - 源电压 ucs 为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅 - 源电压 Ucs 为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。