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UCC21737-Q1 汽車級SiC/IGBT隔離柵極驅(qū)動器技術(shù)解析

科技觀察員 ? 2025-09-09 15:37 ? 次閱讀
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Texas Instruments UCC21737-Q1單通道柵極驅(qū)動器是一款電流隔離式柵極驅(qū)動器,設(shè)計(jì)用于工作電壓高達(dá)2121V DC的SiC MOSFETIGBT,具有先進(jìn)的保護(hù)特性、同類最佳的動態(tài)性能和穩(wěn)健性。該器件具有高達(dá) ±10A的峰值拉電流和灌電流。

數(shù)據(jù)手冊:*附件:Texas Instruments UCC21737-Q1單通道柵極驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊.pdf

采用SiO2 電容隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)與輸出側(cè)隔離。該特性支持高達(dá)1.5kVRMS 的工作電壓和12.8 kVPK 的浪涌抗擾度,以及超過40年的隔離柵使用壽命。它還具有低零件間偏移和大于150V/ns的共模噪聲抑制(CMTI)。

Texas Instruments UCC21737-Q1具有先進(jìn)的保護(hù)特性,例如快速過流和短路檢測、故障報(bào)告和分流檢測支持。它還配有源米勒鉗位以及輸入和輸出側(cè)電源UVLO,以優(yōu)化SiC和IGBT的開關(guān)特性和穩(wěn)健性。ASC功能可用于在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)強(qiáng)制打開電源。該特性提高了驅(qū)動器的多功能性,有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),降低尺寸和成本。

特性

  • 5.7kVRMS 單通道隔離式柵極驅(qū)動器
  • 具有符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的下列結(jié)果:
    • 環(huán)境工作溫度范圍:-40°C至+150°C(器件溫度0級)
    • 器件人體模型 (HBM) 靜電放電 (ESD) 分類等級3A
    • 器件充電器件模型(CDM) ESD分類等級C6
  • 高達(dá)2121Vpk 的SiC MOSFET和IGBT
  • 33V最大輸出驅(qū)動電壓(VDD-VEE)
  • ±10A驅(qū)動強(qiáng)度和分離輸出
  • 最低CMTI:150V/ns
  • 270ns響應(yīng)時(shí)間快速過流保護(hù)
  • 外部有源米勒鉗位
  • 發(fā)生故障時(shí)軟關(guān)斷:900mA
  • 隔離側(cè)的ASC輸入可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)打開電源開關(guān)
  • 過流報(bào)警FLT和RST/EN復(fù)位
  • 在RST/EN上快速啟用/禁用響應(yīng)
  • 可抑制< 40ns的輸入引腳噪聲瞬變和脈沖
  • 12V VDD UVLO和–3V VEE UVLO,并通過RDY引腳指示電源良好
  • 輸入/輸出可耐受高達(dá)5 V的過沖/欠沖瞬態(tài)電壓
  • 130 ns(最大值)傳播延遲和30 ns(最大值)脈沖/零件偏移
  • SOIC-16 DW封裝,爬電距離和間隙>8mm
  • 工作結(jié)溫范圍:–40°C至150°C

功能框圖

1.png

UCC21737-Q1 汽車級SiC/IGBT隔離柵極驅(qū)動器技術(shù)解析

一、產(chǎn)品概述

UCC21737-Q1是德州儀器(TI)推出的符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的汽車級單通道隔離柵極驅(qū)動器,專為電動汽車牽引逆變器、車載充電器等高壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。該器件采用SOIC-16 DW封裝,具有8mm以上的爬電距離和間隙,支持SiC MOSFET和IGBT驅(qū)動,最高工作電壓達(dá)2121Vpk。

?核心特性?:

  • ?強(qiáng)驅(qū)動能力?:±10A峰值源/灌電流輸出
  • ?高隔離等級?:5.7kVRMS增強(qiáng)隔離,150V/ns CMTI
  • ?快速保護(hù)?:270ns過流響應(yīng)時(shí)間,集成軟關(guān)斷(900mA)
  • ?靈活配置?:支持分離輸出、外部有源米勒鉗位
  • ?汽車認(rèn)證?:AEC-Q100 Grade 1(-40°C至+125°C)
  • ?功能安全?:提供功能安全設(shè)計(jì)文檔支持

二、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

1. 隔離與驅(qū)動架構(gòu)

采用SiO2電容隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸入/輸出側(cè)5.7kVRMS電氣隔離,具有:

  • ?超長壽命?:40年以上隔離屏障壽命
  • ?低傳輸延遲?:130ns最大傳播延遲
  • ?高抗干擾?:>150V/ns共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)

驅(qū)動級采用混合上拉結(jié)構(gòu)(PMOS與NMOS并聯(lián)),在米勒平臺區(qū)提供更低等效阻抗(約0.7Ω),顯著降低開關(guān)損耗。

2. 多重保護(hù)機(jī)制

?四級保護(hù)體系?:

  1. ?電源監(jiān)控?:12V VDD UVLO和-3V VEE UVLO
  2. ?過流保護(hù)?:支持SenseFET/DESAT/分流電阻三種檢測方式
  3. ? 主動短路(ASC) ?:系統(tǒng)故障時(shí)強(qiáng)制開關(guān)管導(dǎo)通
  4. ?熱關(guān)斷?:結(jié)溫超過150°C自動保護(hù)

三、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 電動汽車牽引逆變器驅(qū)動方案

?設(shè)計(jì)參數(shù)?:

  • 母線電壓:800V DC
  • 開關(guān)頻率:50kHz
  • IGBT模塊:3300nC柵極電荷

?關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)?:

  • ?柵極電阻選型?:
    • 開啟電阻(RON):1Ω(實(shí)現(xiàn)5.9A峰值驅(qū)動)
    • 關(guān)斷電阻(ROFF):1Ω(實(shí)現(xiàn)6.7A峰值驅(qū)動)
  • ?電源去耦?:
    • VDD-COM:10μF+100nF MLCC
    • VEE-COM:10μF+100nF MLCC
  • ?保護(hù)電路?:
    • DESAT檢測閾值設(shè)置:R1=10kΩ, R2=5.1kΩ, CBLK=1nF
    • 軟關(guān)斷時(shí)間:tSTO=2μs → CSTO=40nF

2. PCB布局指南

  1. ?功率回路?:
    • COM引腳采用開爾文連接至IGBT發(fā)射極
    • 柵極回路面積<1cm2
  2. ?隔離設(shè)計(jì)?:
    • 器件下方保持無銅區(qū)域
    • 輸入/輸出側(cè)地平面分離
  3. ?熱管理?:
    • 使用2oz銅厚PCB
    • 添加16個(gè)φ0.3mm散熱過孔

四、性能參數(shù)對比

參數(shù)UCC21737-Q1競品A優(yōu)勢分析
傳播延遲(ns)90(典型)120降低33%死區(qū)時(shí)間
CMTI(V/ns)150100提升50%抗干擾能力
過流響應(yīng)時(shí)間(ns)270500縮短46%保護(hù)延時(shí)
工作結(jié)溫(°C)-40~150-40~125擴(kuò)展高溫工作范圍

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

  1. ?并聯(lián)緩沖器配置?:
    當(dāng)驅(qū)動電流需超過10A時(shí),可外接MJW44H11/MJW45H11緩沖對,需注意:
    • 添加RSTO≥(VDD-VEE)/10限流電阻
    • 按tSTO=ISTO×CSTO/(VDD-VEE)計(jì)算軟關(guān)斷電容
  2. ?ASC功能實(shí)現(xiàn)?:
    • ASC引腳電壓>2.9V時(shí)激活
    • APWM輸出400kHz PWM信號用于狀態(tài)監(jiān)控
    • 典型響應(yīng)延遲:660ns(上升)/300ns(下降)
  3. ?熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證?:
    • 計(jì)算最大功耗:PDR=0.1W(靜態(tài))+0.505W(開關(guān))=0.605W@50kHz
    • 驗(yàn)證結(jié)溫:Tj=125°C+(32.3°C/W×0.605W)≈145°C
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