UCC5880-Q1：汽車應(yīng)用中IGBT/SiC MOSFET的理想柵極驅(qū)動(dòng)器

在汽車電子的發(fā)展浪潮中，尤其是電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）領(lǐng)域，對(duì)功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)提出了更高的要求。UCC5880-Q1作為一款專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的隔離式20A可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器，為IGBT和SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)提供了先進(jìn)的解決方案。下面，我們就來詳細(xì)了解一下這款驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、UCC5880-Q1的強(qiáng)大特性

1. 可調(diào)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

UCC5880-Q1是一款雙輸出驅(qū)動(dòng)器，具備實(shí)時(shí)可變驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度功能。它提供±15A和±5A的驅(qū)動(dòng)電流輸出，并且可以通過數(shù)字輸入引腳（GD*）在不使用SPI的情況下調(diào)整驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，有3種電阻設(shè)置（R1、R2或R1||R2）可供選擇。此外，它還集成了4A有源米勒鉗位，或者可以選擇外部驅(qū)動(dòng)來控制米勒鉗位晶體管。

2. 全面的保護(hù)功能

• 短路保護(hù)：對(duì)DESAT事件的響應(yīng)時(shí)間僅為110ns，DESAT保護(hù)可選高達(dá)14V。同時(shí)，還具備基于分流電阻的短路（SC）和過流（OC）保護(hù)，保護(hù)閾值和消隱時(shí)間均可配置。
• 過壓和欠壓保護(hù)：對(duì)內(nèi)部和外部電源都提供欠壓和過壓保護(hù)，確保驅(qū)動(dòng)器在各種電源條件下都能穩(wěn)定工作。
• 過溫保護(hù)：具備驅(qū)動(dòng)器管芯溫度感應(yīng)和過溫保護(hù)功能，防止驅(qū)動(dòng)器因過熱而損壞。
• 軟關(guān)斷功能：可編程的軟關(guān)斷（STO）和兩級(jí)軟關(guān)斷（2STO）電流，能夠在故障發(fā)生時(shí)平穩(wěn)地關(guān)斷功率開關(guān)，減少電壓和電流的沖擊。

3. 集成的監(jiān)測(cè)和診斷功能

• 10位ADC：能夠測(cè)量功率開關(guān)溫度、直流母線電壓、驅(qū)動(dòng)器管芯溫度、DESAT引腳電壓和VCC2電壓等多個(gè)參數(shù)，為系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制提供了豐富的數(shù)據(jù)。
• 可編程數(shù)字比較器：可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置比較閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)和保護(hù)。
• 先進(jìn)的VCE/VDS鉗位電路：有效限制功率開關(guān)的電壓，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 內(nèi)置診斷功能：包括內(nèi)置自測(cè)試（BIST）、功率器件柵極閾值電壓測(cè)量、輸入到晶體管柵極路徑完整性監(jiān)測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和警告輸出以及ISO通信數(shù)據(jù)完整性檢查等，方便工程師對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和排除。

4. 功能安全合規(guī)

UCC5880-Q1專為功能安全應(yīng)用而開發(fā)，符合ISO 26262系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，最高可達(dá)ASIL D級(jí)別。相關(guān)文檔可幫助工程師進(jìn)行功能安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

二、UCC5880-Q1的應(yīng)用場(chǎng)景

UCC5880-Q1主要應(yīng)用于EV和HEV的牽引逆變器以及功率模塊中。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)镮GBT和SiC MOSFET提供可靠的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

三、引腳配置與功能

UCC5880-Q1采用32引腳DFC SSOP封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，GND1為初級(jí)側(cè)接地引腳，VCC1為初級(jí)側(cè)電源引腳，INP和INN為PWM輸入引腳，SDI和SDO為SPI數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳等。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求正確連接這些引腳，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)功能。

四、電源供應(yīng)建議

1. VCC1

VCC1支持3V至5.5V的輸入范圍，以支持3.3V和5V控制器的信號(hào)傳輸。同時(shí)，它配備了欠壓和過壓比較電路，確保驅(qū)動(dòng)器在正常的電源電壓范圍內(nèi)工作。

2. VCC2

VCC2的輸入范圍為12V至30V，適用于IGBT和SiC應(yīng)用。同樣，它也有欠壓和過壓保護(hù)功能，確保在不同的電源條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

3. VEE2

VEE2的輸入范圍為 -12V至0V，可為功率FET在關(guān)斷時(shí)提供負(fù)柵極偏置，防止因米勒效應(yīng)引起的誤開啟。在單極性電源應(yīng)用中，可將VEE2連接到GND2。

五、布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 布局準(zhǔn)則

• 元件放置：在VCC1和GND1引腳之間以及VCC2、VEE2和GND2引腳之間，應(yīng)靠近器件連接低ESR和低ESL的電容器，以支持外部功率晶體管開關(guān)時(shí)的高峰值電流。同時(shí)，VCP和VREF電容應(yīng)盡可能靠近器件放置。
• 接地考慮：要將晶體管柵極充放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以減小環(huán)路電感和柵極端子的噪聲。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近晶體管放置，確保VCP和VCC2之間的環(huán)路面積和電感較小。此外，AI1和AI2引腳的模擬信號(hào)測(cè)量應(yīng)與GND2網(wǎng)絡(luò)中的高柵極開關(guān)電流有效隔離，建議采用開爾文連接來減少柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路中高di/dt引起的接地反彈影響。
• 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，應(yīng)避免在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何PCB走線或銅箔。對(duì)于半橋或高低側(cè)配置，應(yīng)盡量增加高低側(cè)PCB走線之間的爬電距離。同時(shí)，可使用 conformal coating 來限制污染程度并縮短爬電/間隙距離。
• 熱考慮：UCC5880-Q1的功耗與VCC1、VCC2和VEE2電壓、電容負(fù)載和開關(guān)頻率成正比。合理的PCB布局有助于將熱量從器件散發(fā)到PCB上，降低結(jié)到板的熱阻（θJB）。建議增加連接到VCC2和VEE2平面的PCB銅箔面積，優(yōu)先考慮最大化與VEE2的連接。如果系統(tǒng)有多層板，還建議使用多個(gè)適當(dāng)尺寸的過孔將VCC2和VEE2連接到各自的內(nèi)部平面，但要確保不同高壓平面的走線/平面不重疊。

2. 布局示例

可參考UCC5880EVM-057評(píng)估模塊（EVM）的設(shè)計(jì)作為布局示例。

六、總結(jié)

UCC5880-Q1憑借其豐富的功能和先進(jìn)的保護(hù)特性，為汽車應(yīng)用中的IGBT和SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，遵循布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。