德州儀器UCC21710：先進(jìn)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于提升系統(tǒng)的可靠性和效率至關(guān)重要。德州儀器（TI）的UCC21710就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品，它專(zhuān)為碳化硅（SiC）MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計(jì)，具備先進(jìn)的保護(hù)和傳感功能。今天，我們就來(lái)深入探討UCC21710的特點(diǎn)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、UCC21710概述

UCC21710是一款先進(jìn)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，采用電容隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠的增強(qiáng)隔離，能在低電壓數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）/微控制器（MCU）與高電壓側(cè)之間建立穩(wěn)定連接。它支持高達(dá)2121V的直流工作電壓，適用于10kW以上的應(yīng)用，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）/電動(dòng)汽車(chē)（EV）牽引逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、車(chē)載和非車(chē)載電池充電器、太陽(yáng)能逆變器等。

1. 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

UCC21710具有±10A的峰值灌電流和拉電流，可直接驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET模塊和IGBT模塊，無(wú)需額外的緩沖器。即使在驅(qū)動(dòng)更高功率模塊或并聯(lián)模塊時(shí)，也可搭配外部緩沖級(jí)使用。這種強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力有助于快速開(kāi)關(guān)器件，減少開(kāi)關(guān)損耗。

2. 高可靠性與穩(wěn)定性

該驅(qū)動(dòng)器具備150V/ns的最小共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），確保系統(tǒng)在快速開(kāi)關(guān)速度下的可靠性。同時(shí)，其較小的傳播延遲和通道間偏差可最小化死區(qū)時(shí)間設(shè)置，從而降低傳導(dǎo)損耗。

3. 豐富的保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能

UCC21710集成了多種保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，如輸出側(cè)12V電源欠壓鎖定（UVLO）、有源米勒鉗位、過(guò)流和短路檢測(cè)及故障報(bào)告等。這些功能可有效提高基于SiC MOSFET和IGBT的系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

二、UCC21710的詳細(xì)特性

1. 電源供應(yīng)

輸入側(cè)電源VCC支持3V至5.5V的寬電壓范圍，輸出側(cè)支持單極性和雙極性電源，VDD至VEE的電壓范圍為13V至33V。采用相對(duì)于開(kāi)關(guān)源極或發(fā)射極的負(fù)電源可避免在相臂中另一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)誤開(kāi)啟，這對(duì)于SiC MOSFET尤為重要。

2. 驅(qū)動(dòng)級(jí)

UCC21710的±10A峰值驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度使其適用于高功率應(yīng)用。其混合上拉結(jié)構(gòu)（P溝道MOSFET與N溝道MOSFET并聯(lián)）和下拉N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)了軌到軌輸出，可在功率半導(dǎo)體開(kāi)啟瞬態(tài)的米勒平臺(tái)區(qū)域提供最大峰值拉電流，縮短充電時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，當(dāng)輸入引腳處于浮空狀態(tài)時(shí)，OUTH/OUTL保持低電平，確保安全。

3. 欠壓鎖定（UVLO）

UCC21710為VCC和VDD電源均實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部UVLO保護(hù)。當(dāng)電源電壓低于閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出保持低電平，僅當(dāng)VCC和VDD均脫離UVLO狀態(tài)時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖?。這不僅降低了驅(qū)動(dòng)器在低電源電壓條件下的功耗，還提高了功率級(jí)的效率。

4. 有源下拉

該功能確保在VDD斷開(kāi)時(shí)，OUTH/OUTL引腳鉗位至VEE，防止輸出在設(shè)備恢復(fù)控制之前誤開(kāi)啟。

5. 短路鉗位

在短路情況下，UCC21710的短路鉗位功能可將OUTH/OUTL引腳電壓鉗位至略高于VDD，保護(hù)功率半導(dǎo)體免受柵源或柵發(fā)射極過(guò)壓擊穿。

6. 內(nèi)部有源米勒鉗位

有源米勒鉗位功能可防止驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷狀態(tài)下誤開(kāi)啟。當(dāng)另一個(gè)功率半導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部低下拉阻抗可將OUTL保持在VEE，避免因米勒效應(yīng)導(dǎo)致的誤觸發(fā)。

7. 過(guò)流和短路保護(hù)

UCC21710具備快速的過(guò)流和短路保護(hù)功能，OC引腳相對(duì)于COM的典型閾值為0.7V。該功能可與集成SenseFET的功率模塊、去飽和電路和分流電阻配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET和IGBT的保護(hù)。檢測(cè)到故障后，輸出保持低電平，需通過(guò)RST/EN引腳復(fù)位。

8. 軟關(guān)斷

當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流或短路故障時(shí)，UCC21710觸發(fā)軟關(guān)斷功能，控制關(guān)斷能量，限制功率半導(dǎo)體的過(guò)沖，防止災(zāi)難性損壞。

9. 故障（FLT）、復(fù)位和使能（RST/EN）

FLT引腳為開(kāi)漏輸出，檢測(cè)到故障時(shí)將信號(hào)報(bào)告給DSP/MCU。RST/EN引腳用于復(fù)位FLT信號(hào)和使能/關(guān)閉設(shè)備，默認(rèn)情況下，該引腳浮空時(shí)設(shè)備禁用。

10. 隔離式模擬轉(zhuǎn)PWM信號(hào)功能

UCC21710的AIN至APWM引腳實(shí)現(xiàn)了隔離式模擬轉(zhuǎn)PWM信號(hào)功能，可用于開(kāi)關(guān)溫度傳感、直流母線(xiàn)電壓傳感等。內(nèi)部電流源為外部熱敏二極管或溫度傳感電阻提供偏置，PWM信號(hào)可直接饋入DSP/MCU或通過(guò)低通濾波器作為模擬信號(hào)使用。

三、UCC21710的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用范圍

UCC21710適用于各種功率應(yīng)用，包括HEV/EV牽引逆變器、車(chē)載充電器、充電樁、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)電源等。它可直接驅(qū)動(dòng)高功率SiC MOSFET模塊、IGBT模塊或并聯(lián)分立器件，無(wú)需外部緩沖驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省成本和電路板空間。

2. 典型應(yīng)用 - 半橋電路

以半橋電路為例，UCC21710可用于將電動(dòng)汽車(chē)電池的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)。在設(shè)計(jì)半橋電路時(shí)，需考慮以下要點(diǎn)：

• 輸入濾波器：為IN+、IN-和RST/EN引腳添加外部低通濾波器可提高噪聲免疫力和信號(hào)完整性。選擇濾波器電阻和電容時(shí)，需根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮噪聲抑制效果和延遲時(shí)間。
• PWM互鎖：UCC21710的IN+和IN-引腳具備PWM互鎖功能，可防止相臂直通。通過(guò)將另一個(gè)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)發(fā)送到IN-引腳，可實(shí)現(xiàn)該功能。
• FLT、RDY和RST/EN引腳電路：FLT和RDY引腳為開(kāi)漏輸出，RST/EN引腳需外部上拉才能使能驅(qū)動(dòng)器。為提高噪聲免疫力，可在這些引腳與微控制器之間添加低通濾波器。
• 導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電阻：UCC21710的分裂輸出OUTH和OUTL可獨(dú)立控制導(dǎo)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)速度。選擇合適的柵極電阻時(shí)，需考慮峰值拉電流和灌電流、開(kāi)關(guān)速度以及驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，確保設(shè)備在熱極限范圍內(nèi)工作。
• 過(guò)流和短路保護(hù)：可根據(jù)不同的功率模塊選擇合適的過(guò)流和短路保護(hù)方法，如基于集成SenseFET的保護(hù)、去飽和電路保護(hù)和分流電阻保護(hù)。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。
• 隔離式模擬信號(hào)傳感：該功能可用于溫度監(jiān)測(cè)和直流母線(xiàn)電壓傳感。通過(guò)在AIN引腳連接熱敏二極管或熱敏電阻，可實(shí)現(xiàn)溫度傳感；通過(guò)電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓傳感。輸出的APWM信號(hào)可直接連接到微控制器測(cè)量占空比，也可經(jīng)過(guò)濾波后通過(guò)微控制器的ADC輸入引腳測(cè)量電壓。
• 外部電流緩沖器：如需增加IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電流，可使用非反相電流緩沖器。但在使用外部緩沖器時(shí)，需添加外部組件實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷功能。

四、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

為確保UCC21710的穩(wěn)定運(yùn)行，建議在電源處使用一組去耦電容。在VDD和COM、VEE和COM之間使用10μF旁路電容，在VCC和GND之間使用1μF旁路電容，并為每個(gè)電源添加0.1μF去耦電容以濾除高頻噪聲。去耦電容應(yīng)選用低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）的產(chǎn)品，并盡可能靠近VCC、VDD和VEE引腳放置，以防止PCB布局中的系統(tǒng)寄生噪聲耦合。

2. 布局設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)中，需考慮UCC21710的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，遵循以下布局準(zhǔn)則：

• 將驅(qū)動(dòng)器盡可能靠近功率半導(dǎo)體放置，以減少柵極回路在PCB跡線(xiàn)上的寄生電感。
• 輸入和輸出電源的去耦電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳放置，以避免開(kāi)關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的高dI/dt和電壓尖峰。
• 將驅(qū)動(dòng)器的COM引腳連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的開(kāi)爾文連接點(diǎn)，若功率器件沒(méi)有分開(kāi)的開(kāi)爾文源極或發(fā)射極，則應(yīng)盡可能靠近功率器件封裝的源極或發(fā)射極端子連接，以分離柵極回路和高功率開(kāi)關(guān)回路。
• 在輸入側(cè)使用接地平面屏蔽輸入信號(hào)，防止輸出側(cè)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的高頻噪聲干擾。
• 若驅(qū)動(dòng)器用于低側(cè)開(kāi)關(guān)，COM引腳連接到直流母線(xiàn)負(fù)極，可在輸出側(cè)使用接地平面屏蔽輸出信號(hào)；若用于高側(cè)開(kāi)關(guān)，COM引腳連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，則不建議使用接地平面。
• 若輸出側(cè)不使用接地平面，應(yīng)將OC和AIN接地回路的返回路徑與具有大峰值拉電流和灌電流的柵極回路接地分開(kāi)。
• 避免在驅(qū)動(dòng)器下方鋪設(shè)PCB跡線(xiàn)或銅箔，建議采用PCB切口以防止輸入和輸出側(cè)之間的噪聲耦合，污染隔離屏障。

五、總結(jié)

UCC21710作為一款先進(jìn)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、高可靠性和豐富的保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能，為基于SiC MOSFET和IGBT的系統(tǒng)提供了出色的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)合理的電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)，可充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用UCC21710進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用UCC21710或其他類(lèi)似驅(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。