UCC23513：高性能單通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在電力電子領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件（如IGBT、MOSFET和SiC MOSFET）的關(guān)鍵部件。今天，我們要詳細(xì)介紹一款來自德州儀器（TI）的高性能單通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器——UCC23513。

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主要特性亮點(diǎn)

電氣性能卓越

• 高隔離性能：具備 (5.7 - kV{RMS}) 的單通道隔離能力，可承受高達(dá)(8000 - V{PK}) 的瞬態(tài)隔離電壓，隔離壽命超過50年。依據(jù)多種安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，如DIN V VDE V 0884 - 11:2017 - 01、UL 1577和GB4943.1 - 2011，為系統(tǒng)提供可靠的電氣隔離。例如在工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)中，可有效防止不同電路之間的干擾和故障傳播。
• 強(qiáng)大的輸出驅(qū)動(dòng)能力：具有(4.5 - A) 源極和(5.3 - A) 漏極的峰值輸出電流，能夠快速驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)動(dòng)作。輸出驅(qū)動(dòng)電源電壓范圍為(14 - V) 至(33 - V) ，還提供(8 - V) （B版本）和(12 - V) 的VCC欠壓鎖定（UVLO）選項(xiàng)，可應(yīng)用于不同的電源系統(tǒng)。
• 快速的開關(guān)速度：最大傳播延遲為(105 - ns) ，最大脈沖寬度失真為(35 - ns) ，最大器件間延遲匹配為(25 - ns) ，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸，減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。
• 高共模瞬態(tài)抗擾度：最小共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）為(150 - kV/μs) ，能有效抵抗高共模干擾，確保在惡劣的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。

設(shè)計(jì)兼容性與可靠性提升

• 光耦兼容設(shè)計(jì)：輸入級(jí)采用光耦兼容的仿真二極管（e - diode），與標(biāo)準(zhǔn)光耦隔離柵極驅(qū)動(dòng)器引腳兼容，方便進(jìn)行升級(jí)替換。同時(shí)，相比傳統(tǒng)光耦的LED輸入級(jí)，e - diode具有更好的可靠性和老化特性，無需光發(fā)射來傳輸信號(hào)，減少了光衰等問題。
• 寬工作溫度范圍：工作結(jié)溫范圍為(–40°C) 至(+150°C) ，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，為工業(yè)應(yīng)用提供了更多的可能性。
• 良好的反向極性電壓處理能力：輸入級(jí)能夠承受(13 - V) 的反向極性電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。
• 安全封裝設(shè)計(jì)：采用拉伸型SO - 6封裝，爬電距離和電氣間隙大于(8.5 - mm) ，封裝材料的相比漏電起痕指數(shù)（CTI）大于(600 - V) ，有助于提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

典型應(yīng)用場景

UCC23513在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)電源和不間斷電源（UPS）、太陽能逆變器以及感應(yīng)加熱等。在工業(yè)電機(jī)控制中，其快速的開關(guān)速度和高共模瞬態(tài)抗擾度能夠確保電機(jī)的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行；在太陽能逆變器中，高隔離性能和寬工作溫度范圍可適應(yīng)復(fù)雜的戶外環(huán)境，提高發(fā)電效率。

詳細(xì)的設(shè)計(jì)與特性分析

功能框圖與工作原理

UCC23513的功能框圖包含發(fā)射器和接收器兩部分。輸入級(jí)的e - diode通過正向偏置產(chǎn)生正向電流(I{F}) ，當(dāng)(I{F}) 超過閾值電流(I{FLH}) 時(shí)，高頻信號(hào)通過高壓(SiO{2}) 電容器跨隔離屏障傳輸。接收器對信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、調(diào)理后，通過緩沖級(jí)產(chǎn)生輸出。信號(hào)采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，發(fā)射器發(fā)送高頻載波代表一個(gè)數(shù)字狀態(tài)，不發(fā)送信號(hào)代表另一個(gè)數(shù)字狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。

各部分特性詳解

• 電源供應(yīng)：輸入級(jí)無需電源供應(yīng)，輸出電源(V{CC}) 支持(14 - V) 至(33 - V) 的電壓范圍?？刹捎秒p極性電源或單極性電源進(jìn)行配置，雙極性電源可防止功率器件因米勒效應(yīng)而意外導(dǎo)通。例如，驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，雙極性電源典型值為(V{CC}=15 - V) ，(V{EE}=-8 - V) ；驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET時(shí)，(V{CC}=20 - V) ，(V_{EE}=-5 - V) 。
• 輸入級(jí)：由e - diode構(gòu)成，通過陽極（Pin 1）和陰極（Pin 3）控制。當(dāng)陽極相對于陰極施加正電壓時(shí)，e - diode導(dǎo)通，產(chǎn)生正向電流(I{F}) 。推薦的(I{F}) 范圍為(7 - mA) 至(16 - mA) ，可通過外部電阻進(jìn)行限流。e - diode的正向電壓降典型值為(2.1 - V) ，動(dòng)態(tài)阻抗小于(1.0 - Omega) ，溫度系數(shù)小于(1.35 - mV/^{circ}C) ，確保了正向電流在不同工作條件下的穩(wěn)定性。此外，e - diode的反向擊穿電壓大于(15 - V) ，允許最高(13 - V) 的反向偏置，可應(yīng)用于互鎖架構(gòu)。
• 輸出級(jí)：輸出級(jí)采用上拉和下拉結(jié)構(gòu)，上拉結(jié)構(gòu)由P溝道MOSFET和并聯(lián)的N溝道MOSFET組成，在功率開關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺(tái)區(qū)域提供最大的峰值源極電流，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)由N溝道MOSFET組成，輸出電壓在(V{CC}) 和(V{EE}) 之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。
• 保護(hù)特性
  • 欠壓鎖定（UVLO）：針對(V{CC}) 和(V{EE}) 引腳實(shí)現(xiàn)UVLO功能，防止IGBT和MOSFET驅(qū)動(dòng)不足。當(dāng)(V{CC}) 低于啟動(dòng)時(shí)的(UVLO{R}) 或啟動(dòng)后的(UVLO_{F}) 時(shí)，輸出被拉低，且具有滯回特性，防止電源噪聲引起的抖動(dòng)。
  • 主動(dòng)下拉：當(dāng)(V_{CC}) 無電源連接時(shí)，主動(dòng)下拉功能將IGBT或MOSFET的柵極拉低，防止誤啟動(dòng)。
  • 短路鉗位：在短路情況下，短路鉗位功能將驅(qū)動(dòng)器輸出電壓鉗位略高于(V_{CC}) ，保護(hù)IGBT或MOSFET的柵極免受過壓損壞。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入電阻選擇

輸入電阻用于限制e - diode正向偏置時(shí)的電流，推薦的正向電流范圍為(7 - mA) 至(16 - mA) 。選擇電阻時(shí)需要考慮多個(gè)因素，如電源電壓(V{SUP}) 的變化、電阻的制造公差和溫度變化、e - diode正向電壓降的變化等。可根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)配置（如單NMOS和分流電阻、單緩沖器、雙緩沖器），使用相應(yīng)的公式計(jì)算輸入電阻(R{EXT}) 。

柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電阻

外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻(R{G(ON)}) 和(R{G(OFF)}) 用于限制寄生電感和電容引起的振鈴、高電壓或高電流開關(guān)的(dv/dt) 和(di/dt) 以及體二極管反向恢復(fù)引起的振鈴，還可微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化開關(guān)損耗，減少電磁干擾（EMI）。可根據(jù)公式估算峰值源極電流和峰值漏極電流，同時(shí)注意PCB布局和負(fù)載電容對峰值電流的影響。

柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗估算

柵極驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)的總損耗(P{G}) 包括UCC23513器件的功率損耗(P{GD}) 和外圍電路的功率損耗。(P{GD}) 可分為靜態(tài)功率損耗(P{GDQ}) 和開關(guān)操作損耗(P_{GDsw}) 。靜態(tài)功率損耗包括輸入級(jí)和輸出級(jí)的靜態(tài)損耗，開關(guān)操作損耗與負(fù)載電容的充放電有關(guān)。根據(jù)不同的負(fù)載情況和電路參數(shù)，可使用相應(yīng)的公式計(jì)算功率損耗。

結(jié)溫估算

可使用公式(T{J}=T{C}+Psi{JT} × P{GD}) 估算UCC23513的結(jié)溫，其中(T{C}) 是通過熱電偶等儀器測量的UCC23513的外殼頂部溫度，(Psi{JT}) 是結(jié)到頂部的表征參數(shù)。使用該參數(shù)可以提高結(jié)溫估算的準(zhǔn)確性。

(V_{CC}) 電容選擇

為了實(shí)現(xiàn)可靠的性能，(V{CC}) 的旁路電容器至關(guān)重要。推薦選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）和低等效串聯(lián)電感（ESL）的表面貼裝多層陶瓷電容器（MLCC），并確保其具有足夠的電壓額定值、溫度系數(shù)和電容公差。如果偏置電源輸出與(V{CC}) 引腳距離較遠(yuǎn)，可并聯(lián)一個(gè)大于(10 - μF) 的鉭電容或電解電容。

布局設(shè)計(jì)建議

布局準(zhǔn)則

• 元件放置：將低ESR和低ESL的電容器靠近器件連接在(V{CC}) 和(V{EE}) 引腳之間，以旁路噪聲并支持外部功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的高峰值電流。同時(shí)，盡量減小頂部晶體管源極和底部晶體管源極之間的寄生電感，避免(V_{EE}) 引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變。
• 接地考慮：將給晶體管柵極充電和放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，減少環(huán)路電感，降低晶體管柵極端子的噪聲。將柵極驅(qū)動(dòng)器盡量靠近晶體管放置。
• 高壓考慮：為確保初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能，避免在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何PCB走線或銅箔。建議采用PCB切口或凹槽，防止可能影響隔離性能的污染。
• 熱考慮：如果驅(qū)動(dòng)電壓高、負(fù)載重或開關(guān)頻率高，UCC23513可能會(huì)耗散大量功率。合理的PCB布局有助于將熱量從器件散發(fā)到PCB，最小化結(jié)到板的熱阻抗(theta{JB}) 。建議增加連接到(V{CC}) 和(V{EE}) 引腳的PCB銅箔面積，優(yōu)先考慮增加與(V{EE}) 的連接面積。如果系統(tǒng)有多層，可通過多個(gè)適當(dāng)尺寸的過孔將(V{CC}) 和(V{EE}) 引腳連接到內(nèi)部接地或電源平面，過孔應(yīng)靠近IC引腳以提高熱導(dǎo)率。

PCB材料選擇

建議使用標(biāo)準(zhǔn)的FR - 4 UL94V - 0印刷電路板，因?yàn)樗诟哳l下具有較低的介電損耗、較少的吸濕性、較高的強(qiáng)度和剛度，以及自熄性的阻燃特性。

UCC23513憑借其卓越的性能、豐富的保護(hù)特性和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)，為功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，合理選擇參數(shù)和進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用類似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。