德州儀器UCC21710：先進隔離式柵極驅(qū)動器的深度剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，一款性能卓越的隔離式柵極驅(qū)動器對于提升系統(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，它專為碳化硅（SiC）MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計，具備先進的保護和傳感功能。今天，我們就來深入探討UCC21710的特點、應(yīng)用及設(shè)計要點。

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一、UCC21710概述

UCC21710是一款先進的隔離式柵極驅(qū)動器，采用電容隔離技術(shù)實現(xiàn)可靠的增強隔離，能在低電壓數(shù)字信號處理器（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2121V的直流工作電壓，適用于10kW以上的應(yīng)用，如混合動力電動汽車（HEV）/電動汽車（EV）牽引逆變器、電機驅(qū)動器、車載和非車載電池充電器、太陽能逆變器等。

1. 強大的驅(qū)動能力

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

2. 高可靠性與穩(wěn)定性

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

3. 豐富的保護與監(jiān)測功能

UCC21710集成了多種保護和監(jiān)測功能，如輸出側(cè)12V電源欠壓鎖定（UVLO）、有源米勒鉗位、過流和短路檢測及故障報告等。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。采用相對于開關(guān)源極或發(fā)射極的負電源可避免在相臂中另一個開關(guān)導(dǎo)通時出現(xiàn)誤開啟，這對于SiC MOSFET尤為重要。

2. 驅(qū)動級

UCC21710的±10A峰值驅(qū)動強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實現(xiàn)了軌到軌輸出，可在功率半導(dǎo)體開啟瞬態(tài)的米勒平臺區(qū)域提供最大峰值拉電流，縮短充電時間，降低開關(guān)損耗。同時，當輸入引腳處于浮空狀態(tài)時，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均脫離UVLO狀態(tài)時，輸出才變?yōu)楦唠娖?。這不僅降低了驅(qū)動器在低電源電壓條件下的功耗，還提高了功率級的效率。

4. 有源下拉

該功能確保在VDD斷開時，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，保護功率半導(dǎo)體免受柵源或柵發(fā)射極過壓擊穿。

6. 內(nèi)部有源米勒鉗位

有源米勒鉗位功能可防止驅(qū)動器在關(guān)斷狀態(tài)下誤開啟。當另一個功率半導(dǎo)體導(dǎo)通時，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. 過流和短路保護

UCC21710具備快速的過流和短路保護功能，OC引腳相對于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，實現(xiàn)對SiC MOSFET和IGBT的保護。檢測到故障后，輸出保持低電平，需通過RST/EN引腳復(fù)位。

8. 軟關(guān)斷

當檢測到過流或短路故障時，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引腳為開漏輸出，檢測到故障時將信號報告給DSP/MCU。RST/EN引腳用于復(fù)位FLT信號和使能/關(guān)閉設(shè)備，默認情況下，該引腳浮空時設(shè)備禁用。

10. 隔離式模擬轉(zhuǎn)PWM信號功能

UCC21710的AIN至APWM引腳實現(xiàn)了隔離式模擬轉(zhuǎn)PWM信號功能，可用于開關(guān)溫度傳感、直流母線電壓傳感等。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信號可直接饋入DSP/MCU或通過低通濾波器作為模擬信號使用。

三、UCC21710的應(yīng)用與實現(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、車載充電器、充電樁、電機驅(qū)動器、太陽能逆變器和工業(yè)電源等。它可直接驅(qū)動高功率SiC MOSFET模塊、IGBT模塊或并聯(lián)分立器件，無需外部緩沖驅(qū)動電路，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可用于將電動汽車電池的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，驅(qū)動推進系統(tǒng)中的電動機。在設(shè)計半橋電路時，需考慮以下要點：

• 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完整性。選擇濾波器電阻和電容時，需根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮噪聲抑制效果和延遲時間。
• PWM互鎖：UCC21710的IN+和IN-引腳具備PWM互鎖功能，可防止相臂直通。通過將另一個開關(guān)的PWM信號發(fā)送到IN-引腳，可實現(xiàn)該功能。
• FLT、RDY和RST/EN引腳電路：FLT和RDY引腳為開漏輸出，RST/EN引腳需外部上拉才能使能驅(qū)動器。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可獨立控制導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)速度。選擇合適的柵極電阻時，需考慮峰值拉電流和灌電流、開關(guān)速度以及驅(qū)動器的功率損耗，確保設(shè)備在熱極限范圍內(nèi)工作。
• 過流和短路保護：可根據(jù)不同的功率模塊選擇合適的過流和短路保護方法，如基于集成SenseFET的保護、去飽和電路保護和分流電阻保護。每種方法都有其優(yōu)缺點，需根據(jù)具體應(yīng)用進行選擇。
• 隔離式模擬信號傳感：該功能可用于溫度監(jiān)測和直流母線電壓傳感。通過在AIN引腳連接熱敏二極管或熱敏電阻，可實現(xiàn)溫度傳感；通過電阻分壓器可實現(xiàn)直流母線電壓傳感。輸出的APWM信號可直接連接到微控制器測量占空比，也可經(jīng)過濾波后通過微控制器的ADC輸入引腳測量電壓。
• 外部電流緩沖器：如需增加IGBT柵極驅(qū)動電流，可使用非反相電流緩沖器。但在使用外部緩沖器時，需添加外部組件實現(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

在PCB設(shè)計中，需考慮UCC21710的強驅(qū)動能力，遵循以下布局準則：

• 將驅(qū)動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，以避免開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的高dI/dt和電壓尖峰。
• 將驅(qū)動器的COM引腳連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的開爾文連接點，若功率器件沒有分開的開爾文源極或發(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關(guān)回路。
• 在輸入側(cè)使用接地平面屏蔽輸入信號，防止輸出側(cè)開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的高頻噪聲干擾。
• 若驅(qū)動器用于低側(cè)開關(guān)，COM引腳連接到直流母線負極，可在輸出側(cè)使用接地平面屏蔽輸出信號；若用于高側(cè)開關(guān)，COM引腳連接到開關(guān)節(jié)點，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。
• 避免在驅(qū)動器下方鋪設(shè)PCB跡線或銅箔，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作為一款先進的隔離式柵極驅(qū)動器，憑借其強大的驅(qū)動能力、高可靠性和豐富的保護與監(jiān)測功能，為基于SiC MOSFET和IGBT的系統(tǒng)提供了出色的解決方案。在實際應(yīng)用中，通過合理的電源供應(yīng)和布局設(shè)計，可充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，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進行設(shè)計時提供有價值的參考。你在使用UCC21710或其他類似驅(qū)動器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。