UCC21530：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，對于尋找一款能夠有效驅(qū)動功率晶體管、降低開關(guān)損耗的柵極驅(qū)動器時，UCC21530無疑是一個值得深入研究的選擇。接下來，我們就一起詳細(xì)探討這款器件的特性、參數(shù)、設(shè)計要點(diǎn)以及應(yīng)用情況。

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一、UCC21530概述

UCC21530是一款具備4A源電流和6A灌電流峰值的隔離式雙通道柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET，最高工作頻率可達(dá)5MHz。在輸入側(cè)與兩個輸出驅(qū)動器之間，通過一個5.7kV RMS的增強(qiáng)隔離屏障實(shí)現(xiàn)隔離，其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）不低于125V/ns。同時，兩個次級側(cè)驅(qū)動器之間具備內(nèi)部功能隔離，允許最高1850V的工作電壓。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）靈活的驅(qū)動配置

UCC21530可以配置為兩個低側(cè)驅(qū)動器、兩個高側(cè)驅(qū)動器或一個半橋驅(qū)動器，并且能夠通過編程設(shè)置死區(qū)時間（DT），方便滿足不同的應(yīng)用需求。

（二）出色的電氣性能

1. 開關(guān)參數(shù)：典型傳播延遲為33ns，最小脈沖寬度為20ns，最大脈沖寬度失真為 - 6ns，確保了快速、準(zhǔn)確的信號傳輸。
2. 輸出能力：具有4A峰值源電流和6A峰值灌電流輸出，能夠?yàn)楣β示w管提供足夠的驅(qū)動能力。
3. 輸入兼容性：輸入引腳與TTL和CMOS兼容，輸入VCCI范圍為3V至18V，適用于與各種數(shù)字和模擬控制器接口。
4. 輸出驅(qū)動電源：輸出驅(qū)動電源VDD最高可達(dá)25V，滿足不同功率晶體管的驅(qū)動需求。

（三）安全認(rèn)證

UCC21530計劃獲得多項安全相關(guān)認(rèn)證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）標(biāo)準(zhǔn)的8000V PK加強(qiáng)隔離、符合UL 1577標(biāo)準(zhǔn)的5.7kV RMS隔離1分鐘以及符合GB4943.1 - 2022的CQC認(rèn)證，為產(chǎn)品的安全性提供了有力保障。

三、引腳配置與功能

（一）引腳定義

UCC21530采用DWK（SOIC - 14）封裝，各個引腳都有明確的功能。例如，INA和INB為輸入信號引腳，分別控制A通道和B通道；OUTA和OUTB為輸出引腳，連接到相應(yīng)通道的FET或IGBT的柵極；EN引腳用于使能或禁用驅(qū)動器輸出；DT引腳可用于編程設(shè)置死區(qū)時間。

（二）引腳使用注意事項

在使用過程中，為了提高噪聲免疫力，對于不使用的引腳有相應(yīng)的處理建議。如不使用的輸入引腳應(yīng)接地；EN引腳不使用時應(yīng)連接到VCCI；DT引腳不使用時應(yīng)連接到VCCI，使用時應(yīng)通過一個≤1nF的陶瓷電容旁路到地。

四、參數(shù)與性能

（一）絕對最大額定值

在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意器件的絕對最大額定值，如輸入偏置引腳電源電壓VCCI至GND的范圍為 - 0.3V至20V，驅(qū)動器偏置電源VDDA - VSSA、VDDB - VSSB的范圍為 - 0.3V至30V等。超出這些額定值可能會導(dǎo)致器件永久性損壞。

（二）ESD額定值

UCC21530的人體模型（HBM）靜電放電額定值為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）靜電放電額定值為±1000V，在生產(chǎn)和使用過程中需要采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施。

（三）推薦工作條件

推薦的VCCI輸入電源電壓范圍為3V至18V，不同版本的UCC21530的驅(qū)動器輸出偏置電源VDDA、VDDB參考VSS的范圍有所不同，如UCC21530B 8 - V UVLO版本為9.2V至25V，UCC21530 12 - V UVLO版本為13.5V至25V，結(jié)溫范圍為 - 40°C至150°C。

（四）熱信息

了解器件的熱信息對于確保其正常工作至關(guān)重要。UCC21530的DWK - 14（SOIC）封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻RθJA為74.1°C/W，結(jié)到外殼（頂部）熱阻RθJC(top)為34.1°C/W，結(jié)到電路板熱阻RθJB為32.8°C/W等。

（五）絕緣特性

UCC21530的絕緣特性表現(xiàn)出色，外部間隙CLR大于8mm，外部爬電距離CPG大于8mm，絕緣距離DTI大于17μm，相比漏電起痕指數(shù)CTI大于600V等。同時，還給出了不同測試條件下的絕緣電壓參數(shù)，如最大重復(fù)峰值隔離電壓V IORM為2121V PK，最大隔離工作電壓V IOWM為1500V RMS等。

五、設(shè)計要點(diǎn)

（一）電源設(shè)計

1. 輸入電源：推薦的輸入電源電壓VCCI范圍為3V至18V，應(yīng)在VCCI和GND引腳之間放置一個旁路電容，推薦使用低ESR、低ESL的陶瓷表面貼裝電容，最小推薦值為100nF。
2. 輸出電源：輸出偏置電源VDDA/VDDB的范圍根據(jù)不同版本有所不同，應(yīng)在VDDA和VSSA、VDDB和VSSB引腳之間放置旁路電容，可使用一個220nF至10μF的電容用于器件偏置，再并聯(lián)一個100nF的電容用于高頻濾波。

（二）死區(qū)時間設(shè)置

UCC21530允許用戶通過不同方式調(diào)整死區(qū)時間。當(dāng)DT引腳連接到VCCI時，輸出完全匹配輸入，無最小死區(qū)時間，允許輸出重疊；當(dāng)DT引腳連接到一個編程電阻R DT與GND之間時，可根據(jù)公式 (t{DT} approx 10 × R{DT}) （其中 (t{DT}) 為編程死區(qū)時間，單位為ns； (R{DT}) 為電阻值，單位為kΩ）來設(shè)置死區(qū)時間。同時，建議在DT引腳附近使用一個≤1nF的陶瓷電容旁路，以提高噪聲免疫力。

（三）布局設(shè)計

1. 元件放置：低ESR和低ESL的電容應(yīng)靠近器件放置在VCCI和GND引腳、VDD和VSS引腳之間，以支持外部功率晶體管開啟時的高峰值電流。為避免橋接配置中開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變，應(yīng)盡量減小頂部晶體管源極與底部晶體管源極之間的寄生電感。
2. 接地考慮：應(yīng)將為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)，以降低環(huán)路電感，減少晶體管柵極端子的噪聲。柵極驅(qū)動器應(yīng)盡量靠近晶體管放置。
3. 高壓考慮：為確保初級側(cè)和次級側(cè)之間的隔離性能，避免在驅(qū)動器器件下方放置任何PCB走線或銅箔，建議采用PCB切口以防止可能影響隔離性能的污染。對于半橋或高側(cè)/低側(cè)配置，應(yīng)最大化PCB布局中高側(cè)和低側(cè)PCB走線之間的間隙距離。
4. 熱考慮：當(dāng)驅(qū)動電壓高、負(fù)載重或開關(guān)頻率高時，UCC21530可能會消耗大量功率。適當(dāng)?shù)腜CB布局有助于將熱量從器件散發(fā)到PCB，減小結(jié)到電路板的熱阻抗。建議增加連接到VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引腳的PCB銅面積，優(yōu)先最大化與VSSA和VSSB的連接。

六、應(yīng)用案例

（一）典型半橋應(yīng)用

UCC21530可用于驅(qū)動典型的半橋配置，如同步降壓、同步升壓、半橋/全橋隔離拓?fù)浜腿?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。在這種應(yīng)用中，使用兩個電源（或單輸入雙輸出電源），電源 (V{A}) 確定正驅(qū)動輸出電壓， (V{A -}) 確定負(fù)關(guān)斷電壓。

（二）負(fù)偏置應(yīng)用

當(dāng)非理想的PCB布局和長封裝引腳引入寄生電感時，功率晶體管的柵 - 源驅(qū)動電壓在高di/dt和dv/dt開關(guān)期間可能會出現(xiàn)振鈴。施加負(fù)偏置到柵極驅(qū)動是一種常見的方法，可以使振鈴保持在閾值以下。UCC21530可以通過不同的電路配置實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置，如使用齊納二極管在隔離偏置電源輸出端產(chǎn)生負(fù)偏置、使用自舉電源為高側(cè)器件供電以及在單電源配置中通過柵極驅(qū)動回路中的齊納二極管產(chǎn)生負(fù)偏置等。

七、總結(jié)

UCC21530作為一款高性能的隔離式雙通道柵極驅(qū)動器，具有靈活的配置、出色的電氣性能、豐富的安全認(rèn)證以及完善的保護(hù)功能。在實(shí)際設(shè)計中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源、設(shè)置死區(qū)時間、優(yōu)化布局設(shè)計，以充分發(fā)揮UCC21530的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的功率晶體管驅(qū)動。同時，在使用過程中，還需要關(guān)注器件的參數(shù)變化和性能表現(xiàn)，及時進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

大家在使用UCC21530的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。