深度剖析UCC21750：用于SiC/IGBT的高性能單通道柵極驅(qū)動器

在電力電子領域，柵極驅(qū)動器起著至關重要的作用。德州儀器（Texas Instruments）的UCC21750單通道柵極驅(qū)動器，專為碳化硅（SiC）MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設計，具備先進保護、出色動態(tài)性能和高可靠性，是一款值得深入研究的產(chǎn)品。

文件下載：ucc21750.pdf

核心特性：為高性能而生

UCC21750具有一系列令人矚目的特性。它是一款5.7 - kV RMS單通道隔離柵極驅(qū)動器，能適配最高2121 Vpk的SiC MOSFET和IGBT，最大輸出驅(qū)動電壓達33 V，擁有±10 - A的驅(qū)動強度和分離輸出，可直接驅(qū)動大功率模塊。

其高達150 - V/ns的最小共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），能有效應對快速開關帶來的共模干擾；200 - ns響應時間的快速去飽和（DESAT）保護，可在過流和短路時迅速響應；4 - A內(nèi)部有源米勒鉗位功能，能防止米勒電容導致的誤開啟。此外，故障發(fā)生時400 - mA的軟關斷功能，可減少短路能量和開關上的過沖電壓。

隔離模擬傳感器帶有PWM輸出，支持通過NTC、PTC或熱敏二極管進行溫度感應，還能監(jiān)測高壓直流母線或相電壓。過流時的警報FLT和通過RST/EN復位功能，以及快速使能和禁用響應、輸入引腳對40 - ns以下噪聲瞬態(tài)和脈沖的抑制能力，都提升了系統(tǒng)的可靠性。輸入/輸出對高達5 V的過沖/欠沖瞬態(tài)電壓免疫，130 - ns（最大）的傳播延遲和30 - ns（最大）的脈沖/器件間偏差，能減少死區(qū)時間設置，降低傳導損耗。

采用SOIC - 16 DW封裝，爬電距離和電氣間隙大于8 mm ，工作結溫范圍為 - 40°C至150°C，還具備多項安全認證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的加強絕緣和UL 1577組件認證，確保了產(chǎn)品在安全關鍵應用中的可靠性。

功能模塊：設計精巧保障性能

電源供應模塊

UCC21750的輸入側電源VCC可支持3 V至5.5 V的寬電壓范圍，輸出側支持單極和雙極電源，VDD至VEE的電壓范圍為13 V至33 V。采用相對于開關源極或發(fā)射極的負電源，能避免相臂中另一個開關導通時的誤開啟，這對SiC MOSFET尤為重要，因其開關速度極快。

驅(qū)動級模塊

該驅(qū)動器具備±10 - A的峰值驅(qū)動強度，適用于高功率應用。其混合上拉結構由P溝道MOSFET和N溝道MOSFET并聯(lián)，下拉結構由N溝道MOSFET實現(xiàn)，能提供強大的驅(qū)動能力，在功率半導體開啟瞬態(tài)時提供高峰值源電流，縮短充電時間，降低開啟開關損耗。同時，下拉結構能確保OUTL電壓拉至VEE軌，提高關斷速度和噪聲免疫力。

欠壓鎖定（UVLO）模塊

UCC21750對輸入和輸出電源VCC和VDD都實現(xiàn)了內(nèi)部UVLO保護。當電源電壓低于閾值時，驅(qū)動器輸出保持低電平，僅當VCC和VDD都脫離UVLO狀態(tài)時，輸出才變高。此功能不僅降低了低電源電壓條件下驅(qū)動器的功耗，還提高了功率級的效率。VDD UVLO的閾值電壓為12 V，滯回為800 mV，適用于SiC MOSFET和IGBT。

有源下拉模塊

當VDD斷開時，有源下拉功能可確保OUTH/OUTL引腳鉗位到VEE，防止輸出在設備恢復控制前誤開啟。

短路鉗位模塊

短路時，米勒電容的高dV/dt會使電流流入OUTH/OUTL/CLMPI引腳，導致電壓升高。UCC21750的短路鉗位功能通過內(nèi)部二極管將這些引腳電壓鉗位到略高于VDD，保護功率半導體免受柵 - 源和柵 - 發(fā)射極過壓擊穿。

內(nèi)部有源米勒鉗位模塊

在驅(qū)動器關斷狀態(tài)下，有源米勒鉗位功能可防止誤開啟。當相臂中另一個功率半導體開啟時，米勒效應會導致外部柵極電阻上產(chǎn)生電壓降，可能使功率半導體的柵 - 源或柵 - 發(fā)射極電壓超過閾值，引發(fā)貫穿故障。UCC21750的該功能在柵極電壓低于VCLMPTH（比VEE高2 V）時觸發(fā)內(nèi)部MOSFET，形成低阻抗路徑，避免誤開啟問題。

去飽和（DESAT）保護模塊

UCC21750實現(xiàn)了快速過流和短路保護。DESAT引腳相對于功率半導體的源極或發(fā)射極有典型的9 - V閾值。在輸入浮空或輸出低電平時，DESAT引腳被內(nèi)部MOSFET下拉，防止過流和短路故障誤觸發(fā)。僅在驅(qū)動器開啟狀態(tài)下，DESAT引腳的內(nèi)部電流源才被激活，過流和短路保護功能才起作用。在OUTH切換到高電平后，有200 - ns的內(nèi)部前沿消隱時間，之后內(nèi)部電流源為外部消隱電容充電。

軟關斷模塊

當檢測到過流和短路故障時，UCC21750會啟動軟關斷功能。IGBT從有源區(qū)快速過渡到去飽和區(qū)時，通過軟方式控制溝道電流下降，可限制過沖電壓，防止過壓擊穿。其400 - mA的軟關斷電流能確保功率開關在短路事件中安全關斷。

故障（FLT）、復位和使能（RST/EN）模塊

FLT引腳為開漏輸出，檢測到故障時向DSP/MCU報告。故障檢測后，F(xiàn)LT引腳拉低至地，直到從RST/EN收到復位信號。RST/EN引腳有內(nèi)部50 - kΩ下拉電阻，默認禁用驅(qū)動器。該引腳有兩個作用：一是復位FLT引腳，將其拉低超過tRSTFIL后，故障信號在上升沿復位；二是使能和關斷設備，拉低時驅(qū)動器禁用，OUTL拉低功率半導體的柵極。

隔離模擬到PWM信號功能模塊

該功能允許進行隔離溫度感應、高壓直流母線電壓感應等。AIN引腳的內(nèi)部電流源I AIN為外部熱敏二極管或溫度傳感電阻提供偏置，將電壓信號V AIN編碼為PWM信號，通過加強隔離屏障輸出到APWM引腳。AIN電壓輸入范圍為0.6 V至4.5 V，APWM輸出占空比從10%線性增加到88%，對應負溫度系數(shù)（NTC）電阻和熱敏二極管的溫度系數(shù)。

應用場景：廣泛適配多種領域

UCC21750憑借其強大的驅(qū)動能力、寬輸出電源范圍、高隔離等級、高CMTI以及卓越的保護和傳感特性，具有很高的通用性。可用于支持高達2121 V直流母線電壓的SiC MOSFET和IGBT模塊，適用于低功率和高功率應用，如混合動力汽車/電動汽車（HEV/EV）的牽引逆變器、車載充電器和充電樁、電機驅(qū)動器、太陽能逆變器、工業(yè)電源等。

在典型的半橋應用中，兩個UCC21750隔離柵極驅(qū)動器可作為基本元件，用于控制交流電機的運行速度和轉(zhuǎn)矩等。在設計此類應用時，需要考慮一些關鍵因素，如輸入濾波器、PWM互鎖、FLT/RDY/RST/EN引腳電路、RST/EN引腳控制、開啟和關斷柵極電阻的選擇、過流和短路保護、隔離模擬信號傳感等。

輸入濾波設計

在牽引逆變器或電機驅(qū)動應用中，功率半導體處于硬開關模式，UCC21750的強驅(qū)動能力會導致高dV/dt。噪聲不僅會因寄生電感耦合到柵極電壓，還會因非理想PCB布局和耦合電容影響輸入側。UCC21750在IN +、IN -和RST/EN引腳有40 - ns內(nèi)部去毛刺濾波器，可過濾小于40 ns的信號。對于噪聲較大的系統(tǒng)，可在輸入引腳添加外部低通濾波器，以提高噪聲免疫力和信號完整性。

PWM互鎖設計

UCC21750的IN +和IN -引腳具有PWM互鎖功能，可防止相臂貫穿問題。當兩個輸入都為高電平時，輸出為邏輯低電平。若只使用IN +，可將IN -接地。為使用該功能，可將相臂中另一個開關的PWM信號發(fā)送到IN -引腳。

FLT/RDY/RST/EN引腳電路設計

FLT和RDY引腳為開漏輸出，RST/EN引腳有50 - kΩ內(nèi)部下拉電阻，需外部上拉才能使能驅(qū)動器。可使用5 kΩ上拉電阻，為提高噪聲免疫力，可在這些引腳和微控制器之間添加低通濾波器，電容取值在100 pF至300 pF之間。

RST/EN引腳控制設計

RST/EN引腳有使能/關斷驅(qū)動器和復位FLT引腳故障信號兩個功能。默認情況下，驅(qū)動器因內(nèi)部下拉電阻而禁用，需上拉該引腳才能使能。檢測到DESAT故障后，驅(qū)動器鎖存，需RST/EN引腳復位。該引腳還可用于自動復位驅(qū)動器，將連續(xù)輸入信號IN +或IN -應用到該引腳，確保PWM關斷時間大于tRSTFIL，以在DESAT故障時復位驅(qū)動器。

開啟和關斷柵極電阻設計

UCC21750的分離輸出OUTH和OUTL可獨立控制開啟和關斷速度。選擇合適的電阻需考慮峰值源和灌電流以及驅(qū)動器的功率損耗。通過計算，可確定能滿足開關速度和熱限制要求的電阻值。

過流和短路保護設計

在DESAT引腳應用標準去飽和電路，當電壓高于閾值VDESAT時，啟動軟關斷并向輸入側報告故障。若不使用DESAT引腳，需將其連接到COM以避免誤觸發(fā)。建議使用快速反向恢復高壓二極管，并串聯(lián)電阻限制浪涌電流，同時添加肖特基二極管和齊納二極管防止負電壓和正電壓損壞驅(qū)動器。

隔離模擬信號傳感設計

該功能可用于溫度監(jiān)測和直流母線電壓傳感。溫度傳感時，AIN引腳連接到熱敏二極管或熱敏電阻，建議添加低通濾波器。輸出APWM可直接連接到微控制器測量占空比，也可通過濾波后測量電壓。測量直流母線電壓時，需考慮內(nèi)部電流源I AIN，確保電壓在AIN輸入范圍內(nèi)。

設計建議：保障穩(wěn)定可靠運行

電源設計

在開關瞬態(tài)期間，VDD和VEE電源需提供高峰值源和灌電流，可能導致電壓下降。為穩(wěn)定電源，建議在VDD和COM、VEE和COM之間使用10 - μF旁路電容，VCC和GND之間使用1 - μF旁路電容，并為每個電源添加0.1 - μF去耦電容以過濾高頻噪聲。電容應具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），并盡可能靠近VCC、VDD和VEE引腳放置。

PCB布局設計

由于UCC21750驅(qū)動能力強，PCB設計需謹慎考慮。驅(qū)動器應靠近功率半導體放置，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靠近電源引腳；COM引腳應連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的開爾文連接；輸入側使用接地平面屏蔽輸入信號；若用于低側開關，輸出側可使用接地平面屏蔽輸出信號，若用于高側開關則不建議；若輸出側不使用接地平面，應將DESAT和AIN接地回路與柵極回路接地分開；柵極驅(qū)動器下方不允許有PCB走線或銅箔，建議使用PCB切口避免輸入和輸出側之間的噪聲耦合。

UCC21750是一款功能強大、性能卓越的單通道柵極驅(qū)動器，適用于多種電力電子應用。在實際設計中，工程師需充分了解其特性和功能，綜合考慮各種因素，按照上述建議進行設計，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。