深度剖析UCC21750：用于SiC/IGBT的高性能單通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電力電子領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器起著至關(guān)重要的作用。德州儀器（Texas Instruments）的UCC21750單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，專為碳化硅（SiC）MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計(jì)，具備先進(jìn)保護(hù)、出色動(dòng)態(tài)性能和高可靠性，是一款值得深入研究的產(chǎn)品。

文件下載：ucc21750.pdf

核心特性：為高性能而生

UCC21750具有一系列令人矚目的特性。它是一款5.7 - kV RMS單通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，能適配最高2121 Vpk的SiC MOSFET和IGBT，最大輸出驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)33 V，擁有±10 - A的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和分離輸出，可直接驅(qū)動(dòng)大功率模塊。

其高達(dá)150 - V/ns的最小共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），能有效應(yīng)對(duì)快速開關(guān)帶來的共模干擾；200 - ns響應(yīng)時(shí)間的快速去飽和（DESAT）保護(hù)，可在過流和短路時(shí)迅速響應(yīng)；4 - A內(nèi)部有源米勒鉗位功能，能防止米勒電容導(dǎo)致的誤開啟。此外，故障發(fā)生時(shí)400 - mA的軟關(guān)斷功能，可減少短路能量和開關(guān)上的過沖電壓。

隔離模擬傳感器帶有PWM輸出，支持通過NTC、PTC或熱敏二極管進(jìn)行溫度感應(yīng)，還能監(jiān)測(cè)高壓直流母線或相電壓。過流時(shí)的警報(bào)FLT和通過RST/EN復(fù)位功能，以及快速使能和禁用響應(yīng)、輸入引腳對(duì)40 - ns以下噪聲瞬態(tài)和脈沖的抑制能力，都提升了系統(tǒng)的可靠性。輸入/輸出對(duì)高達(dá)5 V的過沖/欠沖瞬態(tài)電壓免疫，130 - ns（最大）的傳播延遲和30 - ns（最大）的脈沖/器件間偏差，能減少死區(qū)時(shí)間設(shè)置，降低傳導(dǎo)損耗。

采用SOIC - 16 DW封裝，爬電距離和電氣間隙大于8 mm ，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至150°C，還具備多項(xiàng)安全認(rèn)證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的加強(qiáng)絕緣和UL 1577組件認(rèn)證，確保了產(chǎn)品在安全關(guān)鍵應(yīng)用中的可靠性。

功能模塊：設(shè)計(jì)精巧保障性能

電源供應(yīng)模塊

UCC21750的輸入側(cè)電源VCC可支持3 V至5.5 V的寬電壓范圍，輸出側(cè)支持單極和雙極電源，VDD至VEE的電壓范圍為13 V至33 V。采用相對(duì)于開關(guān)源極或發(fā)射極的負(fù)電源，能避免相臂中另一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的誤開啟，這對(duì)SiC MOSFET尤為重要，因其開關(guān)速度極快。

驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊

該驅(qū)動(dòng)器具備±10 - A的峰值驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，適用于高功率應(yīng)用。其混合上拉結(jié)構(gòu)由P溝道MOSFET和N溝道MOSFET并聯(lián)，下拉結(jié)構(gòu)由N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)，能提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，在功率半導(dǎo)體開啟瞬態(tài)時(shí)提供高峰值源電流，縮短充電時(shí)間，降低開啟開關(guān)損耗。同時(shí)，下拉結(jié)構(gòu)能確保OUTL電壓拉至VEE軌，提高關(guān)斷速度和噪聲免疫力。

欠壓鎖定（UVLO）模塊

UCC21750對(duì)輸入和輸出電源VCC和VDD都實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部UVLO保護(hù)。當(dāng)電源電壓低于閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出保持低電平，僅當(dāng)VCC和VDD都脫離UVLO狀態(tài)時(shí)，輸出才變高。此功能不僅降低了低電源電壓條件下驅(qū)動(dòng)器的功耗，還提高了功率級(jí)的效率。VDD UVLO的閾值電壓為12 V，滯回為800 mV，適用于SiC MOSFET和IGBT。

有源下拉模塊

當(dāng)VDD斷開時(shí)，有源下拉功能可確保OUTH/OUTL引腳鉗位到VEE，防止輸出在設(shè)備恢復(fù)控制前誤開啟。

短路鉗位模塊

短路時(shí)，米勒電容的高dV/dt會(huì)使電流流入OUTH/OUTL/CLMPI引腳，導(dǎo)致電壓升高。UCC21750的短路鉗位功能通過內(nèi)部二極管將這些引腳電壓鉗位到略高于VDD，保護(hù)功率半導(dǎo)體免受柵 - 源和柵 - 發(fā)射極過壓擊穿。

內(nèi)部有源米勒鉗位模塊

在驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷狀態(tài)下，有源米勒鉗位功能可防止誤開啟。當(dāng)相臂中另一個(gè)功率半導(dǎo)體開啟時(shí)，米勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致外部柵極電阻上產(chǎn)生電壓降，可能使功率半導(dǎo)體的柵 - 源或柵 - 發(fā)射極電壓超過閾值，引發(fā)貫穿故障。UCC21750的該功能在柵極電壓低于VCLMPTH（比VEE高2 V）時(shí)觸發(fā)內(nèi)部MOSFET，形成低阻抗路徑，避免誤開啟問題。

去飽和（DESAT）保護(hù)模塊

UCC21750實(shí)現(xiàn)了快速過流和短路保護(hù)。DESAT引腳相對(duì)于功率半導(dǎo)體的源極或發(fā)射極有典型的9 - V閾值。在輸入浮空或輸出低電平時(shí)，DESAT引腳被內(nèi)部MOSFET下拉，防止過流和短路故障誤觸發(fā)。僅在驅(qū)動(dòng)器開啟狀態(tài)下，DESAT引腳的內(nèi)部電流源才被激活，過流和短路保護(hù)功能才起作用。在OUTH切換到高電平后，有200 - ns的內(nèi)部前沿消隱時(shí)間，之后內(nèi)部電流源為外部消隱電容充電。

軟關(guān)斷模塊

當(dāng)檢測(cè)到過流和短路故障時(shí)，UCC21750會(huì)啟動(dòng)軟關(guān)斷功能。IGBT從有源區(qū)快速過渡到去飽和區(qū)時(shí)，通過軟方式控制溝道電流下降，可限制過沖電壓，防止過壓擊穿。其400 - mA的軟關(guān)斷電流能確保功率開關(guān)在短路事件中安全關(guān)斷。

故障（FLT）、復(fù)位和使能（RST/EN）模塊

FLT引腳為開漏輸出，檢測(cè)到故障時(shí)向DSP/MCU報(bào)告。故障檢測(cè)后，F(xiàn)LT引腳拉低至地，直到從RST/EN收到復(fù)位信號(hào)。RST/EN引腳有內(nèi)部50 - kΩ下拉電阻，默認(rèn)禁用驅(qū)動(dòng)器。該引腳有兩個(gè)作用：一是復(fù)位FLT引腳，將其拉低超過tRSTFIL后，故障信號(hào)在上升沿復(fù)位；二是使能和關(guān)斷設(shè)備，拉低時(shí)驅(qū)動(dòng)器禁用，OUTL拉低功率半導(dǎo)體的柵極。

隔離模擬到PWM信號(hào)功能模塊

該功能允許進(jìn)行隔離溫度感應(yīng)、高壓直流母線電壓感應(yīng)等。AIN引腳的內(nèi)部電流源I AIN為外部熱敏二極管或溫度傳感電阻提供偏置，將電壓信號(hào)V AIN編碼為PWM信號(hào)，通過加強(qiáng)隔離屏障輸出到APWM引腳。AIN電壓輸入范圍為0.6 V至4.5 V，APWM輸出占空比從10%線性增加到88%，對(duì)應(yīng)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻和熱敏二極管的溫度系數(shù)。

應(yīng)用場(chǎng)景：廣泛適配多種領(lǐng)域

UCC21750憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、寬輸出電源范圍、高隔離等級(jí)、高CMTI以及卓越的保護(hù)和傳感特性，具有很高的通用性。可用于支持高達(dá)2121 V直流母線電壓的SiC MOSFET和IGBT模塊，適用于低功率和高功率應(yīng)用，如混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車（HEV/EV）的牽引逆變器、車載充電器和充電樁、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽能逆變器、工業(yè)電源等。

在典型的半橋應(yīng)用中，兩個(gè)UCC21750隔離柵極驅(qū)動(dòng)器可作為基本元件，用于控制交流電機(jī)的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)矩等。在設(shè)計(jì)此類應(yīng)用時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵因素，如輸入濾波器、PWM互鎖、FLT/RDY/RST/EN引腳電路、RST/EN引腳控制、開啟和關(guān)斷柵極電阻的選擇、過流和短路保護(hù)、隔離模擬信號(hào)傳感等。

輸入濾波設(shè)計(jì)

在牽引逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體處于硬開關(guān)模式，UCC21750的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力會(huì)導(dǎo)致高dV/dt。噪聲不僅會(huì)因寄生電感耦合到柵極電壓，還會(huì)因非理想PCB布局和耦合電容影響輸入側(cè)。UCC21750在IN +、IN -和RST/EN引腳有40 - ns內(nèi)部去毛刺濾波器，可過濾小于40 ns的信號(hào)。對(duì)于噪聲較大的系統(tǒng)，可在輸入引腳添加外部低通濾波器，以提高噪聲免疫力和信號(hào)完整性。

PWM互鎖設(shè)計(jì)

UCC21750的IN +和IN -引腳具有PWM互鎖功能，可防止相臂貫穿問題。當(dāng)兩個(gè)輸入都為高電平時(shí)，輸出為邏輯低電平。若只使用IN +，可將IN -接地。為使用該功能，可將相臂中另一個(gè)開關(guān)的PWM信號(hào)發(fā)送到IN -引腳。

FLT/RDY/RST/EN引腳電路設(shè)計(jì)

FLT和RDY引腳為開漏輸出，RST/EN引腳有50 - kΩ內(nèi)部下拉電阻，需外部上拉才能使能驅(qū)動(dòng)器?？墒褂? kΩ上拉電阻，為提高噪聲免疫力，可在這些引腳和微控制器之間添加低通濾波器，電容取值在100 pF至300 pF之間。

RST/EN引腳控制設(shè)計(jì)

RST/EN引腳有使能/關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器和復(fù)位FLT引腳故障信號(hào)兩個(gè)功能。默認(rèn)情況下，驅(qū)動(dòng)器因內(nèi)部下拉電阻而禁用，需上拉該引腳才能使能。檢測(cè)到DESAT故障后，驅(qū)動(dòng)器鎖存，需RST/EN引腳復(fù)位。該引腳還可用于自動(dòng)復(fù)位驅(qū)動(dòng)器，將連續(xù)輸入信號(hào)IN +或IN -應(yīng)用到該引腳，確保PWM關(guān)斷時(shí)間大于tRSTFIL，以在DESAT故障時(shí)復(fù)位驅(qū)動(dòng)器。

開啟和關(guān)斷柵極電阻設(shè)計(jì)

UCC21750的分離輸出OUTH和OUTL可獨(dú)立控制開啟和關(guān)斷速度。選擇合適的電阻需考慮峰值源和灌電流以及驅(qū)動(dòng)器的功率損耗。通過計(jì)算，可確定能滿足開關(guān)速度和熱限制要求的電阻值。

過流和短路保護(hù)設(shè)計(jì)

在DESAT引腳應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)去飽和電路，當(dāng)電壓高于閾值VDESAT時(shí)，啟動(dòng)軟關(guān)斷并向輸入側(cè)報(bào)告故障。若不使用DESAT引腳，需將其連接到COM以避免誤觸發(fā)。建議使用快速反向恢復(fù)高壓二極管，并串聯(lián)電阻限制浪涌電流，同時(shí)添加肖特基二極管和齊納二極管防止負(fù)電壓和正電壓損壞驅(qū)動(dòng)器。

隔離模擬信號(hào)傳感設(shè)計(jì)

該功能可用于溫度監(jiān)測(cè)和直流母線電壓傳感。溫度傳感時(shí)，AIN引腳連接到熱敏二極管或熱敏電阻，建議添加低通濾波器。輸出APWM可直接連接到微控制器測(cè)量占空比，也可通過濾波后測(cè)量電壓。測(cè)量直流母線電壓時(shí)，需考慮內(nèi)部電流源I AIN，確保電壓在AIN輸入范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)建議：保障穩(wěn)定可靠運(yùn)行

電源設(shè)計(jì)

在開關(guān)瞬態(tài)期間，VDD和VEE電源需提供高峰值源和灌電流，可能導(dǎo)致電壓下降。為穩(wěn)定電源，建議在VDD和COM、VEE和COM之間使用10 - μF旁路電容，VCC和GND之間使用1 - μF旁路電容，并為每個(gè)電源添加0.1 - μF去耦電容以過濾高頻噪聲。電容應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），并盡可能靠近VCC、VDD和VEE引腳放置。

PCB布局設(shè)計(jì)

由于UCC21750驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，PCB設(shè)計(jì)需謹(jǐn)慎考慮。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)靠近功率半導(dǎo)體放置，以減少柵極回路的寄生電感；輸入和輸出電源的去耦電容應(yīng)靠近電源引腳；COM引腳應(yīng)連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的開爾文連接；輸入側(cè)使用接地平面屏蔽輸入信號(hào)；若用于低側(cè)開關(guān)，輸出側(cè)可使用接地平面屏蔽輸出信號(hào)，若用于高側(cè)開關(guān)則不建議；若輸出側(cè)不使用接地平面，應(yīng)將DESAT和AIN接地回路與柵極回路接地分開；柵極驅(qū)動(dòng)器下方不允許有PCB走線或銅箔，建議使用PCB切口避免輸入和輸出側(cè)之間的噪聲耦合。

UCC21750是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于多種電力電子應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需充分了解其特性和功能，綜合考慮各種因素，按照上述建議進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。