UCC21737-Q1：汽車(chē)級(jí)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于SiC MOSFET和IGBT的高效驅(qū)動(dòng)和可靠保護(hù)一直是關(guān)鍵需求。UCC21737-Q1作為一款汽車(chē)級(jí)10A源極和漏極強(qiáng)化隔離單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，憑借其先進(jìn)的特性和出色的性能，在電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等眾多應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢(shì)。本文將深入探討UCC21737-Q1的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師提供全面的參考。

文件下載：ucc21737-q1.pdf

產(chǎn)品特性：集高性能與可靠性于一身

1. 強(qiáng)大的隔離能力

• UCC21737-Q1具備5.7kV RMS單通道隔離能力，采用SiO?電容隔離技術(shù)，將輸入側(cè)與輸出側(cè)有效隔離，支持高達(dá)1.5kV RMS的工作電壓，擁有12.8kV PK的浪涌抗擾性，且隔離屏障壽命超過(guò)40年。這不僅確保了高低壓側(cè)之間的可靠電氣隔離，還為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提供了堅(jiān)實(shí)保障。
• 同時(shí)，它具有大于150V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），能有效抵抗高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的共模干擾，保證系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠運(yùn)行。

2. 廣泛的溫度范圍和高可靠性

• 該器件通過(guò)了AEC - Q100認(rèn)證，器件溫度等級(jí)為1級(jí)，環(huán)境工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至150°C，能適應(yīng)極端的汽車(chē)工作環(huán)境。
• 具備功能安全質(zhì)量管理，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為汽車(chē)電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力支持。

3. 出色的驅(qū)動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)性能

• 擁有 ± 10A的峰值源極和漏極電流，能夠直接驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET模塊和IGBT模塊，無(wú)需額外的緩沖級(jí)，有效簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。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，具有很強(qiáng)的通用性。
• 其輸出驅(qū)動(dòng)電壓（VDD - VEE）最大可達(dá)33V，能滿(mǎn)足不同功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)需求。同時(shí)，具備130ns（最大）的傳播延遲和30ns（最大）的脈沖/部分偏斜，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，減少開(kāi)關(guān)損耗。

4. 全面的保護(hù)功能

• 過(guò)流和短路保護(hù)：具備快速過(guò)流和短路檢測(cè)功能，檢測(cè)時(shí)間可達(dá)270ns。OC引腳可通過(guò)SenseFET、DESAT和分流電阻等多種方式進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)，檢測(cè)閾值典型值為0.7V。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流或短路故障時(shí)，會(huì)觸發(fā)軟關(guān)斷功能，以900mA的電流緩慢關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件，減少短路能量，降低開(kāi)關(guān)上的過(guò)沖電壓，避免器件因過(guò)流損壞。
• 欠壓鎖定（UVLO）：對(duì)輸入側(cè)電源VCC和輸出側(cè)電源VDD、VEE都實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部UVLO保護(hù)。VDD的UVLO閾值電壓為12V，具有800mV的遲滯；VEE的UVLO閾值電壓為 - 3V，具有400mV的遲滯。當(dāng)電源電壓低于閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出保持低電平，避免功率半導(dǎo)體器件在低電壓下導(dǎo)通，減少導(dǎo)通損耗，提高功率級(jí)效率。
• 有源米勒鉗位：可驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，當(dāng)柵極電壓低于VCLMPTH（比VEE高2V）時(shí)，外部MOSFET導(dǎo)通，提供低阻抗路徑，防止米勒電容引起的誤開(kāi)啟，尤其適用于同步整流模式等應(yīng)用場(chǎng)景。
• 有源短路（ASC）功能：當(dāng)ASC引腳接收到高電平信號(hào)時(shí)，無(wú)論輸入側(cè)引腳狀態(tài)如何，輸出都會(huì)被強(qiáng)制拉高。該功能在VCC失電或MCU故障時(shí)非常有用，可通過(guò)強(qiáng)制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，在相之間形成有源短路回路，保護(hù)電池免受過(guò)壓損壞。

應(yīng)用領(lǐng)域：多場(chǎng)景的理想選擇

1. 電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器

在電動(dòng)汽車(chē)的牽引逆變器中，UCC21737-Q1的高驅(qū)動(dòng)能力和快速響應(yīng)特性能夠滿(mǎn)足SiC MOSFET和IGBT的高速開(kāi)關(guān)需求，提高逆變器的效率和功率密度。其全面的保護(hù)功能可以有效保護(hù)功率半導(dǎo)體器件，確保逆變器在復(fù)雜工況下的可靠運(yùn)行，為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)提供穩(wěn)定支持。

2. 車(chē)載充電器和充電樁

對(duì)于車(chē)載充電器和充電樁，UCC21737-Q1的寬輸出電源范圍（13V至33V）和高隔離電壓等級(jí)，使其能夠適應(yīng)不同的輸入輸出電壓要求，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，其強(qiáng)大的抗干擾能力和保護(hù)功能，可保證充電器在充電過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

3. HEV/EV的DC - DC轉(zhuǎn)換器

在混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的DC - DC轉(zhuǎn)換器中，UCC21737-Q1能夠精確控制功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換。其低傳播延遲和小偏斜特性，有助于減少死區(qū)時(shí)間設(shè)置，降低傳導(dǎo)損耗，提高轉(zhuǎn)換器的整體效率。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

1. 電源設(shè)計(jì)

• 輸入側(cè)電源VCC范圍為3V至5.5V，輸出側(cè)采用雙極性電源，VDD至VEE的范圍為13V至33V。為了穩(wěn)定電源電壓，在VDD和COM、VEE和COM之間建議使用10μF的旁路電容，在VCC和GND之間建議使用1μF的旁路電容，同時(shí)每個(gè)電源還應(yīng)使用0.1μF的去耦電容來(lái)濾除高頻噪聲。這些電容應(yīng)選擇低ESR和ESL的類(lèi)型，并盡可能靠近相應(yīng)的引腳放置，以防止PCB布局中的系統(tǒng)寄生噪聲耦合。

2. 輸入輸出引腳處理

• 輸入濾波：在牽引逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中，由于功率半導(dǎo)體器件處于硬開(kāi)關(guān)模式，dV/dt較高，容易產(chǎn)生噪聲。UCC21737-Q1的IN +、IN - 和RST/EN引腳內(nèi)置了40ns的消抖濾波器，可濾除小于40ns的信號(hào)。對(duì)于噪聲較大的系統(tǒng)，還可在這些輸入引腳外部添加低通濾波器，以提高噪聲免疫力和信號(hào)完整性。
• PWM互鎖：該器件的IN + 和IN - 引腳具備PWM互鎖功能，可防止相臂直通問(wèn)題。當(dāng)兩個(gè)輸入引腳同時(shí)為高電平時(shí)，輸出為低電平。在半橋電路中，可將互補(bǔ)的PWM信號(hào)分別輸入到IN + 和IN - 引腳，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
• FLT、RDY和RST/EN引腳：FLT和RDY引腳為開(kāi)漏輸出，RST/EN引腳內(nèi)部有50kΩ的下拉電阻。為了提高噪聲免疫力，可在這些引腳與微控制器之間添加低通濾波器，如使用100pF至300pF的濾波電容。同時(shí)，可使用5kΩ的上拉電阻來(lái)確保引腳的正常工作。

3. 開(kāi)關(guān)電阻選擇

• UCC21737-Q1具有分開(kāi)的輸出OUTH和OUTL，可獨(dú)立控制開(kāi)通和關(guān)斷速度。開(kāi)通和關(guān)斷電阻決定了峰值源極和漏極電流，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)速度。在選擇電阻時(shí)，需要考慮功率半導(dǎo)體器件的峰值電流需求和驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，以確保器件在熱極限范圍內(nèi)工作。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，合理調(diào)整電阻值，以平衡開(kāi)關(guān)損耗和電壓過(guò)沖等問(wèn)題。

4. 外部有源米勒鉗位設(shè)計(jì)

• 外部有源米勒鉗位功能可以有效防止米勒效應(yīng)引起的誤開(kāi)啟。在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到VOU TH低于VCLMPTH時(shí)，CLMPE引腳會(huì)輸出相對(duì)于VEE為5V的電壓，驅(qū)動(dòng)外部鉗位FET。為了減少地彈現(xiàn)象，建議在外部有源鉗位MOSFET的柵極添加2Ω的電阻。同時(shí)，要確保有源米勒鉗位電路的總延遲時(shí)間大于高低側(cè)開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間，以有效保護(hù)開(kāi)關(guān)器件。

5. 過(guò)流和短路保護(hù)設(shè)計(jì)

• 集成SenseFET模塊：對(duì)于帶有集成SenseFET的SiC MOSFET和IGBT模塊，可利用SenseFET將主功率回路電流縮小，并通過(guò)外部高精度傳感電阻進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)調(diào)整傳感電阻的值，可以設(shè)置主電流的保護(hù)閾值。為了提高噪聲免疫力，可添加100pF至10nF的濾波電容，但要注意濾波器帶來(lái)的延遲時(shí)間對(duì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)的影響。
• 基于去飽和電路的保護(hù)：去飽和電路可用于檢測(cè)IGBT的VCE或SiC MOSFET的VDS，當(dāng)電壓超過(guò)閾值時(shí)觸發(fā)保護(hù)。該方法的精度相對(duì)較低，但可通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)來(lái)設(shè)置保護(hù)閾值。
• 基于分流電阻的保護(hù)：在低功率應(yīng)用中，可在功率回路中串聯(lián)分流電阻直接測(cè)量電流。這種方法具有較高的精度，但要注意電阻的功率損耗和噪聲影響。不建議在高功率應(yīng)用或dI/dt較高的場(chǎng)景中使用。

6. PCB布局設(shè)計(jì)

• 由于UCC21737-Q1的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，PCB設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎考慮。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近功率半導(dǎo)體器件，以減少柵極回路的寄生電感。輸入和輸出電源的去耦電容應(yīng)靠近電源引腳，以避免開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生的高dI/dt和電壓尖峰。COM引腳應(yīng)連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的Kelvin連接，以分離柵極回路和高功率開(kāi)關(guān)回路。輸入側(cè)應(yīng)使用接地平面來(lái)屏蔽輸入信號(hào)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，合理使用輸出側(cè)接地平面來(lái)屏蔽輸出信號(hào)。同時(shí)，應(yīng)避免在柵極驅(qū)動(dòng)器下方有PCB走線(xiàn)或銅箔，建議使用PCB切口來(lái)避免輸入輸出側(cè)之間的噪聲耦合。

總結(jié)與思考

UCC21737-Q1作為一款高性能的汽車(chē)級(jí)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，憑借其強(qiáng)大的隔離能力、出色的驅(qū)動(dòng)性能和全面的保護(hù)功能，在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮其各項(xiàng)特性，合理選擇電路參數(shù)和進(jìn)行PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器的性能要求也在不斷提高，我們可以思考如何進(jìn)一步優(yōu)化UCC21737-Q1的應(yīng)用，以滿(mǎn)足未來(lái)更復(fù)雜的應(yīng)用需求。你在使用類(lèi)似柵極驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些難題呢？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。