UCC21756-Q1：汽車級隔離柵極驅動器的卓越之選

在電子工程師的日常設計工作中，選擇一款合適的柵極驅動器至關重要。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的 UCC21756-Q1 汽車級 10A 源極/漏極增強型隔離單通道柵極驅動器，它專為碳化硅（SiC）MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設計，具備諸多出色特性，能在多種應用場景中發(fā)揮關鍵作用。

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一、核心特性亮點

（一）高可靠性與安全性

UCC21756-Q1 通過了 AEC-Q100 認證，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，適用于汽車等對可靠性要求極高的環(huán)境。同時，它還提供功能安全質量管理文檔，有助于設計功能安全系統，為工程師在安全設計方面提供了有力支持。

（二）強大驅動能力

這款驅動器擁有 ±10A 的驅動強度和分離輸出，最大輸出驅動電壓可達 33V，能夠直接驅動高達 2121V 的 SiC MOSFET 和 IGBT，無需額外的緩沖電路，大大簡化了設計。

（三）高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

其最小 CMTI 為 150V/ns，能有效抵抗快速開關過程中產生的共模噪聲，確保系統在高速開關時的可靠性。

（四）快速保護響應

具備 200ns 響應時間的快速去飽和（DESAT）保護功能，檢測閾值為 5V，能及時檢測過流和短路故障，并觸發(fā)軟關斷功能，將短路能量降至最低，同時減少開關上的過沖電壓。

（五）隔離模擬傳感

集成了帶有 PWM 輸出的隔離模擬傳感器，可用于溫度傳感（支持 NTC、PTC 或熱敏二極管）、高壓直流母線或相電壓監(jiān)測等，為系統提供了全面的監(jiān)測能力。

二、引腳功能詳解

UCC21756-Q1 采用 SOIC-16 DW 封裝，各個引腳都有其特定的功能：

• AIN（引腳 1）：隔離模擬傳感輸入，若要提高抗噪性，可并聯一個小電容到 COM；若不使用，應連接到 COM。
• DESAT（引腳 2）：去飽和電流保護輸入，不使用時需連接到 COM。
• COM（引腳 3）：公共接地參考，連接到 IGBT 的發(fā)射極或 SiC-MOSFET 的源極。
• OUTH（引腳 4）：柵極驅動器輸出上拉。
• VDD（引腳 5）：柵極驅動電壓的正電源軌，需使用 >10μF 的電容旁路到 COM，以支持指定的柵極驅動器源峰值電流能力。
• CLMPI（引腳 7）：內部有源米勒鉗位，直接連接到功率晶體管的柵極；不使用時可懸空或連接到 VEE。
• VEE（引腳 8）：柵極驅動電壓的負電源軌，同樣需使用 >10μF 的電容旁路到 COM，以支持指定的柵極驅動器漏峰值電流能力。
• GND（引腳 9）：輸入電源和邏輯接地參考。
• IN+（引腳 10）：非反相柵極驅動器控制輸入，不使用時應連接到 VCC。
• IN–（引腳 11）：反相柵極驅動器控制輸入，不使用時應連接到 GND。
• RDY（引腳 12）：VCC - GND 和 VDD - COM 的電源正常信號，采用開漏配置，可與其他 RDY 信號并聯。
• FLT（引腳 13）：過流或短路時的有源低故障報警輸出，同樣是開漏配置，可與其他故障信號并聯。
• RST/EN（引腳 14）：具有兩個功能，一是啟用或關閉輸出側；二是在檢測到 DESAT 故障后重置故障信號。
• VCC（引腳 15）：輸入電源，電壓范圍為 3V 至 5.5V，需使用 >1μF 的電容旁路到 GND。
• APWM（引腳 16）：隔離模擬傳感 PWM 輸出，不使用時可懸空。

三、電氣特性與性能表現

（一）絕對最大額定值

在使用過程中，需要注意各個引腳的電壓、電流和溫度范圍，以避免設備損壞。例如，VCC 的電壓范圍為 -0.3V 至 6V，VDD 的電壓范圍為 -0.3V 至 36V 等。

（二）ESD 額定值

該驅動器具有 ±4000V 的人體模型（HBM）和 ±1500V 的充電設備模型（CDM）靜電放電額定值，在使用和處理時需采取適當的靜電防護措施。

（三）推薦工作條件

推薦的 VCC 電壓范圍為 3V 至 5.5V，VDD 電壓范圍為 13V 至 33V，VEE 電壓范圍為 -16V 至 0V，環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 125°C。在這些條件下工作，能確保驅動器的性能和可靠性。

（四）熱特性

了解其熱特性對于合理設計散熱方案至關重要。UCC21756-Q1 的結到環(huán)境熱阻為 68.3°C/W，結到外殼（頂部）熱阻為 27.5°C/W 等。

（五）功率額定值

最大功耗在不同測試條件下有所不同，例如在特定條件下，兩側的最大功耗為 985mW。

（六）絕緣特性

具有出色的絕緣性能，外部爬電距離和電氣間隙均大于 8mm，最大重復峰值隔離電壓為 2121V PK，最大隔離工作電壓為 1.5kV RMS，能有效隔離輸入和輸出側，確保系統安全。

四、應用場景與設計要點

（一）應用場景廣泛

UCC21756-Q1 憑借其強大的驅動能力、高隔離等級和出色的保護特性，可應用于多個領域，如電動汽車（EV）的牽引逆變器、車載充電器和充電樁、混合動力汽車（HEV）/EV 的 DC/DC 轉換器等。

（二）設計要點分析

1. 輸入濾波器設計：在牽引逆變器或電機驅動應用中，由于功率半導體處于硬開關模式，dV/dt 較高，容易產生噪聲。UCC21756-Q1 內部集成了 40ns 的去毛刺濾波器，可過濾輸入引腳小于 40ns 的信號。對于噪聲較大的系統，還可在輸入引腳外部添加低通濾波器，以提高抗噪性和信號完整性。
2. PWM 互鎖功能：該驅動器具有 IN+ 和 IN- 引腳的 PWM 互鎖功能，可防止相臂直通問題。通過合理配置 PWM 信號，可確保在任何情況下輸出都不會同時為高電平，提高系統安全性。
3. 故障處理與復位：當檢測到過流和短路故障時，DESAT 保護功能會觸發(fā)軟關斷，并通過 FLT 引腳報告故障。此時，輸出會被鎖定，直到收到來自 RST/EN 引腳的復位信號。工程師需要根據實際情況合理設計復位電路，確保系統在故障發(fā)生后能及時恢復正常工作。
4. 柵極電阻選擇：UCC21756-Q1 具有分離輸出 OUTH 和 OUTL，可獨立控制導通和關斷速度。選擇合適的導通和關斷電阻對于控制開關速度、降低開關損耗和確保驅動器在熱限制范圍內工作至關重要。
5. 過流和短路保護：可在 DESAT 引腳應用標準的去飽和電路，當 DESAT 引腳電壓高于閾值時，啟動軟關斷并報告故障。為避免誤觸發(fā)，若 DESAT 引腳不使用，應連接到 COM。同時，在去飽和電路中推薦使用快速反向恢復高壓二極管和串聯電阻，以及從 COM 到 DESAT 的肖特基二極管和齊納二極管，以保護驅動器。
6. 隔離模擬信號傳感：該功能可用于溫度監(jiān)測和直流母線電壓傳感等。對于溫度監(jiān)測，可利用內部 200μA 的電流源對熱敏二極管或溫度傳感電阻進行偏置，將 AIN 引腳的電壓轉換為 PWM 信號，通過測量 PWM 信號的占空比來獲取溫度信息。對于直流母線電壓傳感，需要合理設計衰減電阻，確保測量電壓在 AIN 引腳的電壓范圍內。

五、總結與建議

UCC21756-Q1 是一款性能卓越、功能豐富的汽車級隔離柵極驅動器，為 SiC MOSFET 和 IGBT 提供了強大的驅動和保護能力。在設計過程中，工程師需要充分了解其特性和性能參數，根據具體應用場景合理選擇工作條件和外部元件，注意 PCB 布局和布線，以確保驅動器的性能和可靠性。同時，要關注其保護和監(jiān)測功能的應用，及時處理各種故障情況，提高系統的安全性和穩(wěn)定性。希望通過本文的介紹，能幫助廣大電子工程師更好地了解和應用 UCC21756-Q1，為設計出更優(yōu)秀的電子系統貢獻力量。

你在使用 UCC21756-Q1 過程中遇到過哪些問題？或者你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評論區(qū)留言分享你的經驗和想法。