UCC21738-Q1：汽車級隔離柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，對于SiC MOSFETs和IGBTs的高效驅(qū)動和可靠保護一直是重要的研究方向。德州儀器（TI）的UCC21738-Q1汽車級隔離柵極驅(qū)動器憑借其眾多先進特性，成為了眾多應(yīng)用場景中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款優(yōu)秀的產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品特性亮點

（一）強大的隔離與電氣性能

UCC21738-Q1是一款單通道隔離柵極驅(qū)動器，具備5.7-kVRMS的隔離能力。它通過AEC-Q100認(rèn)證，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，HBM ESD分類等級為3A，CDM ESD分類等級為C6，能在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。其輸入輸出采用SiO?電容隔離技術(shù)，支持高達1.5-kV RMS工作電壓和12.8-kVPK浪涌抗擾度，隔離屏障壽命超過40年，最小CMTI達150-V/ns，能有效抵抗共模瞬變干擾。

（二）出色的驅(qū)動能力

該驅(qū)動器具有±10-A的驅(qū)動強度和分離輸出，最大輸出驅(qū)動電壓可達33-V（VDD - VEE），能夠直接驅(qū)動SiC MOSFET模塊和IGBT模塊，無需額外的緩沖器。同時，它還能與外部緩沖級配合，驅(qū)動更高功率的模塊或并聯(lián)模塊。

（三）快速的保護響應(yīng)

UCC21738-Q1擁有270-ns響應(yīng)時間的快速過流保護功能，外部有源米勒鉗位可有效防止誤觸發(fā)。當(dāng)故障發(fā)生時，能實現(xiàn)900-mA的軟關(guān)斷，減少短路能量和開關(guān)上的過沖電壓。此外，隔離側(cè)的ASC輸入可在系統(tǒng)故障時開啟功率開關(guān)，過流時的報警信號和復(fù)位功能也為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

（四）優(yōu)秀的抗干擾能力

它能拒絕小于40-ns的噪聲瞬變和輸入引腳的脈沖，輸入輸出具有高達5 V的過/欠沖瞬態(tài)電壓抗擾度，傳播延遲最大為130-ns，脈沖/部分偏斜最大為30-ns，確保了信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用場景廣泛

UCC21738-Q1的強大性能使其在多個領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)。在電動汽車（EV）的牽引逆變器、車載充電器和充電樁中，它能夠高效驅(qū)動功率模塊，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。同時，在混合動力汽車（HEV）/EV的DC - DC轉(zhuǎn)換器、太陽能逆變器以及工業(yè)電源等應(yīng)用中，也能發(fā)揮重要作用。

三、詳細特性解析

（一）電源供應(yīng)

輸入側(cè)電源VCC支持3 V至5.5 V的寬電壓范圍，輸出側(cè)采用雙極性電源，范圍為13 V至33 V（VDD - VEE）。負電源的使用可以避免在相臂中另一個開關(guān)導(dǎo)通時的誤觸發(fā)，對于SiC MOSFET尤其重要。

（二）驅(qū)動級設(shè)計

驅(qū)動器采用混合上拉結(jié)構(gòu)和下拉N溝道MOSFET，實現(xiàn)了軌到軌輸出。上拉結(jié)構(gòu)在功率半導(dǎo)體導(dǎo)通瞬態(tài)的米勒平臺區(qū)域提供最高的峰值源電流，有效縮短了充電時間和開關(guān)損耗。下拉結(jié)構(gòu)則確保了OUTL電壓能被拉低到VEE軌，提高了關(guān)斷速度和噪聲抗擾度。

（三）欠壓鎖定（UVLO）保護

UCC21738-Q1為輸入和輸出電源VCC和VDD都實現(xiàn)了內(nèi)部UVLO保護。當(dāng)電源電壓低于閾值時，驅(qū)動器輸出保持低電平，只有當(dāng)VCC和VDD都脫離UVLO狀態(tài)時，輸出才會變?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。

（四）有源下拉和短路鉗位

有源下拉功能確保在VDD斷開時，OUTH/OUTL引腳能被鉗位到VEE，防止輸出誤觸發(fā)。短路鉗位功能則在短路情況下，將OUTH/OUTL引腳電壓鉗位到略高于VDD的水平，保護功率半導(dǎo)體免受柵源和柵極 - 發(fā)射極過壓擊穿。

（五）外部有源米勒鉗位

該功能通過驅(qū)動外部MOSFET，在柵極電壓低于VCLMPTH時創(chuàng)建低阻抗路徑，防止在同步整流模式或死區(qū)時間內(nèi)的誤觸發(fā)。

（六）過流和短路保護

UCC21738-Q1具備快速的過流和短路保護功能，可用于帶有SenseFET的模塊、傳統(tǒng)的去飽和電路以及串聯(lián)在功率回路中的分流電阻。當(dāng)檢測到過流或短路故障時，會啟動軟關(guān)斷，并通過FLT引腳向DSP/MCU報告故障。

（七）軟關(guān)斷和故障報告

在過流和短路保護觸發(fā)時，驅(qū)動器會啟動軟關(guān)斷，控制溝道電流的dI/dt，減少過沖電壓。FLT引腳為開漏輸出，可向DSP/MCU報告故障信號，RST/EN引腳則用于復(fù)位故障和啟用/關(guān)閉驅(qū)動器。

（八）有源短路（ASC）支持和APWM監(jiān)控

ASC功能可在VCC失電或MCU故障時，通過強制輸出信號高電平來保護系統(tǒng)。APWM引腳可對ASC引腳狀態(tài)進行監(jiān)控，方便工程師對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

四、設(shè)計應(yīng)用指南

（一）輸入濾波器設(shè)計

在牽引逆變器或電機驅(qū)動應(yīng)用中，由于功率半導(dǎo)體的硬開關(guān)模式和驅(qū)動器的強驅(qū)動能力，會產(chǎn)生較高的dV/dt和噪聲。UCC21738-Q1的IN+、IN - 和RST/EN引腳內(nèi)置40-ns的消抖濾波器，可過濾小于40 ns的信號。對于噪聲較大的系統(tǒng)，還可在輸入引腳外部添加低通濾波器，提高噪聲抗擾度和信號完整性。

（二）PWM互鎖設(shè)計

驅(qū)動器的IN+和IN - 引腳具備PWM互鎖功能，可防止相臂直通問題。通過合理配置PWM信號，可以確保在兩個開關(guān)同時為高電平時，輸出為低電平，保障系統(tǒng)的安全運行。

（三）引腳電路設(shè)計

FLT和RDY引腳為開漏輸出，RST/EN引腳內(nèi)部有50-kΩ的下拉電阻。為提高噪聲抗擾度，可在這些引腳與微控制器之間添加低通濾波器，并使用5-kΩ的上拉電阻。

（四）RST/EN引腳控制

RST/EN引腳具有啟用/關(guān)閉驅(qū)動器和復(fù)位故障信號的功能。在檢測到過流或短路故障后，需要通過該引腳發(fā)送復(fù)位信號。同時，還可以通過將連續(xù)輸入信號IN+或IN - 連接到RST/EN引腳，實現(xiàn)自動復(fù)位功能。

（五）開關(guān)電阻設(shè)計

UCC21738-Q1的分離輸出OUTH和OUTL允許獨立控制開關(guān)速度。通過合理選擇外部的導(dǎo)通和關(guān)斷電阻，可以控制峰值源電流和吸收電流，進而控制開關(guān)速度。同時，還需要考慮柵極驅(qū)動器的功率損耗，確保設(shè)備在熱限制范圍內(nèi)工作。

（六）外部有源米勒鉗位設(shè)計

外部有源米勒鉗位功能可提高電路板布局的靈活性，但在驅(qū)動器遠離功率半導(dǎo)體時，需要注意高dI/dt引起的接地反彈問題。建議在外部有源鉗位MOSFET的柵極添加2-Ω電阻，以減少接地反彈。

（七）過流和短路保護設(shè)計

根據(jù)不同的應(yīng)用場景，可以選擇基于集成SenseFET、去飽和電路或分流電阻的過流和短路保護方案。每種方案都有其優(yōu)缺點，需要根據(jù)具體需求進行選擇和優(yōu)化。

（八）增加輸出電流設(shè)計

為了增加IGBT柵極驅(qū)動電流，可以使用非反相電流緩沖器。在使用外部緩沖器時，需要添加外部組件來實現(xiàn)軟關(guān)斷功能。

五、電源和布局建議

（一）電源建議

在開關(guān)瞬態(tài)過程中，VDD和VEE電源需要提供峰值源電流和吸收電流，為了穩(wěn)定電源電壓，建議在電源處添加一組去耦電容。在VDD和COM、VEE和COM之間使用10-μF的旁路電容，VCC和GND之間使用1-μF的旁路電容，并為每個電源添加0.1-μF的去耦電容，以過濾高頻噪聲。

（二）布局建議

在PCB設(shè)計中，需要將驅(qū)動器盡可能靠近功率半導(dǎo)體，以減少柵極回路的寄生電感。同時，輸入和輸出電源的去耦電容應(yīng)靠近電源引腳，COM引腳應(yīng)連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的Kelvin連接。此外，還可以使用接地平面來屏蔽輸入輸出信號，避免噪聲耦合。

UCC21738-Q1以其卓越的性能和豐富的功能，為電子工程師在SiC MOSFET和IGBT驅(qū)動設(shè)計中提供了一個可靠的解決方案。通過合理的設(shè)計和應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。你在實際應(yīng)用中是否使用過類似的驅(qū)動器呢？遇到過哪些問題又有哪些解決經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。