深入剖析UCC21520、UCC21520A：高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動器揭秘

在電力電子領(lǐng)域不斷發(fā)展的今天，高性能柵極驅(qū)動器的需求日益增長。德州儀器（Texas Instruments）的UCC21520、UCC21520A隔離式雙通道柵極驅(qū)動器憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多設(shè)計(jì)工程師的首選。今天，我們就來深入剖析這款產(chǎn)品，探討其特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

寬溫度范圍與高速開關(guān)特性

UCC21520、UCC21520A可在 -40°C 至 +150°C 的結(jié)溫范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，這使其能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。在開關(guān)性能方面，它表現(xiàn)出色，典型傳播延遲僅為 33ns，最小脈沖寬度為 20ns，最大脈沖寬度失真 6ns。這意味著在高速開關(guān)應(yīng)用中，能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制信號，有效降低開關(guān)損耗。

高共模瞬態(tài)抗擾度與浪涌抗擾度

共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于 125V/ns，這使得驅(qū)動器在高噪聲環(huán)境下能夠可靠工作，有效避免因共模干擾而導(dǎo)致的誤動作。同時(shí)，其浪涌抗擾度高達(dá) 10kV，能夠承受瞬間的高能量沖擊，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

強(qiáng)大的輸出驅(qū)動能力

該驅(qū)動器具有 4A 峰值源電流和 6A 峰值灌電流輸出能力，能夠?yàn)楣β?MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET 提供足夠的驅(qū)動電流，確保這些功率器件能夠快速、可靠地開關(guān)。

靈活的輸入輸出接口與保護(hù)功能

輸入 VCCI 范圍為 3V 至 18V，可與數(shù)字和模擬控制器方便地接口，實(shí)現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輸出 VDD 驅(qū)動電源最高可達(dá) 25V，并且提供 -5V 和 8V VDD UVLO 選項(xiàng)，增強(qiáng)了對電源電壓的監(jiān)控和保護(hù)。此外，還具備可編程重疊和死區(qū)時(shí)間控制、快速禁用功能，可滿足不同應(yīng)用場景下的功率排序和保護(hù)需求。

安全認(rèn)證

該產(chǎn)品計(jì)劃獲得多項(xiàng)安全認(rèn)證，如符合 DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的 8000V?? 加強(qiáng)隔離、符合 UL 1577 的 5.7kV RMS 1 分鐘隔離以及符合 GB4943.1 - 2022 的 CQC 認(rèn)證，為設(shè)計(jì)人員提供了更高的安全保障。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

UCC21520、UCC21520A 的高性能和靈活性使其適用于多種應(yīng)用場景：

1. 混合動力和電動車輛電池充電器：在電動汽車的快速發(fā)展中，電池充電器的性能至關(guān)重要。該驅(qū)動器能夠提供高效、可靠的驅(qū)動能力，滿足電池充電器對高功率、高頻率開關(guān)的需求。
2. DC - DC 和 AC - DC 電源中的隔離式轉(zhuǎn)換器：在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，隔離是保證系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵。UCC21520、UCC21520A 的高隔離性能和快速開關(guān)特性，能夠有效提高電源轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度。
3. 服務(wù)器、電信、IT 和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施：這些領(lǐng)域?qū)﹄娫吹目煽啃院头€(wěn)定性要求極高。該驅(qū)動器的寬溫度范圍、高抗擾度和保護(hù)功能，能夠確保在復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。
4. 電機(jī)驅(qū)動和 DC - AC 太陽能逆變器：在電機(jī)驅(qū)動和太陽能逆變器中，需要精確的控制和快速的開關(guān)響應(yīng)。UCC21520、UCC21520A 能夠提供所需的驅(qū)動能力，提高系統(tǒng)的效率和性能。
5. LED 照明和感應(yīng)加熱：在這些應(yīng)用中，驅(qū)動器的性能直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。該驅(qū)動器的高性能和靈活性，能夠滿足不同應(yīng)用場景下的需求。

詳細(xì)功能解析

欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

UCC21520 和 UCC21520A 在輸入和輸出電源電路中都具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng) VDD 偏置電壓低于啟動時(shí)的 (V_{VDDON}) 或啟動后的 (V{VDD_OFF}) 時(shí)，輸出將被強(qiáng)制拉低，確保在電源異常時(shí)不會出現(xiàn)誤動作。同樣，輸入側(cè)的 UVLO 保護(hù)也能保證在 VCCI 電壓異常時(shí)，驅(qū)動器處于安全狀態(tài)。這種保護(hù)機(jī)制有效地提高了系統(tǒng)的可靠性，避免了因電源波動而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

輸入輸出邏輯與死區(qū)時(shí)間控制

輸入引腳（INA、INB 和 DIS）基于 TTL 和 CMOS 兼容的輸入閾值邏輯，并且與 VDD 電源電壓完全隔離。這使得輸入信號能夠輕松地與各種邏輯級控制信號接口，同時(shí)具備良好的噪聲免疫力。在輸出方面，兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制，并且可以通過編程死區(qū)時(shí)間（DT）來防止上下橋臂的直通現(xiàn)象。死區(qū)時(shí)間可以通過將 DT 引腳連接到 VCCI 或在 DT 和 GND 之間連接可編程電阻來設(shè)置，為設(shè)計(jì)人員提供了靈活的控制方式。

輸出級結(jié)構(gòu)與性能

輸出級采用了獨(dú)特的上拉和下拉結(jié)構(gòu)。上拉結(jié)構(gòu)在功率開關(guān)導(dǎo)通的米勒平臺區(qū)域能夠提供最大的峰值源電流，加速開關(guān)的導(dǎo)通過程。下拉結(jié)構(gòu)則采用簡單的 N 溝道 MOSFET，確保在關(guān)斷時(shí)能夠快速泄放電荷。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得驅(qū)動器能夠在高速開關(guān)時(shí)提供高效的驅(qū)動能力，同時(shí)保證輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入濾波器設(shè)計(jì)

為了濾除由于非理想布局或長 PCB 走線引入的振鈴，建議使用一個(gè)小的 (R{IN}-C{IN}) 輸入濾波器。 (R{IN}) 的取值范圍為 0Ω 至 100Ω， (C{IN}) 的取值范圍為 10pF 至 100pF。在選擇這些組件時(shí)，需要權(quán)衡好噪聲免疫力和傳播延遲之間的關(guān)系。

外部自舉二極管和電阻選擇

自舉電容在每個(gè)開關(guān)周期中由 VDD 通過外部自舉二極管充電，因此選擇具有高電壓、快速恢復(fù)和低正向壓降的二極管非常重要。同時(shí)，建議使用一個(gè)自舉電阻 (R_{BOOT}) 來限制充電電流和電壓上升斜率，以確保驅(qū)動器的安全運(yùn)行。

柵極驅(qū)動電阻選擇

外部柵極驅(qū)動電阻 (R{ON} / R{OFF}) 用于限制寄生電感/電容引起的振鈴、高電壓/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。通過合理選擇這些電阻，可以微調(diào)柵極驅(qū)動強(qiáng)度，優(yōu)化開關(guān)損耗，減少電磁干擾。

柵極到源極電阻選擇

柵極到源極電阻 (R{GS}) 用于在柵極驅(qū)動器輸出無電源或處于不確定狀態(tài)時(shí)，將柵極電壓拉低到源極電壓，同時(shí)減輕由于米勒電流引起的 dv/dt 導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。該電阻的大小通常根據(jù)功率器件的 Vth 和 (C{GD}) 與 (C_{GS}) 的比值來確定。

電源電容選擇

VCCI、VDDA 和 VDDB 的旁路電容對于實(shí)現(xiàn)可靠性能至關(guān)重要。建議選擇具有低 ESR 和低 ESL 的表面貼裝多層陶瓷電容（MLCC），并根據(jù)不同的電源引腳和應(yīng)用場景選擇合適的電容值和電壓額定值。

死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在功率轉(zhuǎn)換器中，上下晶體管之間的死區(qū)時(shí)間設(shè)置對于防止動態(tài)開關(guān)時(shí)的直通現(xiàn)象非常重要。UCC21520 的死區(qū)時(shí)間設(shè)置可以通過 DT 引腳配置，但需要考慮系統(tǒng)的實(shí)際需求，包括外部柵極驅(qū)動電阻、直流母線開關(guān)電壓/電流以及負(fù)載晶體管的輸入電容等因素。

布局注意事項(xiàng)

元件放置

為了支持外部功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的高峰值電流，必須將低 ESR 和低 ESL 電容靠近 VCCI 和 GND 引腳以及 VDD 和 VSS 引腳連接。同時(shí)，應(yīng)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，以避免開關(guān)節(jié)點(diǎn) VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變。死區(qū)時(shí)間設(shè)置電阻 (R_{DT}) 及其旁路電容應(yīng)靠近 DT 引腳放置，以確保準(zhǔn)確的死區(qū)時(shí)間控制。

接地考慮

將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)，有助于降低環(huán)路電感，減少晶體管柵極端子上的噪聲。柵極驅(qū)動器應(yīng)盡可能靠近晶體管放置，以縮短信號傳輸路徑。此外，還需要注意自舉電容、自舉二極管、局部 VSSB 參考旁路電容和低側(cè)晶體管體/反并聯(lián)二極管等高電流路徑的布局，盡量減小這些環(huán)路的長度和面積。

高壓考慮

為了確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，應(yīng)避免在驅(qū)動器器件下方放置任何 PCB 走線或銅箔。建議在 PCB 上進(jìn)行切割，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)盡量增加高側(cè)和低側(cè) PCB 走線之間的爬電距離，以提高系統(tǒng)的安全性。

散熱考慮

當(dāng)驅(qū)動電壓高、負(fù)載重或開關(guān)頻率高時(shí)，UCC21520 或 UCC21520A 可能會消耗大量功率。合理的 PCB 布局可以幫助將熱量從器件散發(fā)到 PCB 上，降低結(jié)到板的熱阻。建議增加連接到 VDDA、VDDB、VSSA 和 VSSB 引腳的 PCB 銅箔面積，優(yōu)先考慮增加 VSSA 和 VSSB 的連接面積。如果系統(tǒng)中有多層板，還可以通過多個(gè)適當(dāng)尺寸的過孔將這些引腳連接到內(nèi)部接地或電源平面。

總結(jié)

UCC21520、UCC21520A 隔離式雙通道柵極驅(qū)動器以其卓越的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電力電子設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。希望本文對廣大電子工程師在使用該產(chǎn)品時(shí)有所幫助，大家在設(shè)計(jì)過程中有什么疑問或者經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評論區(qū)分享交流。