德州儀器UCC21520、UCC21520A隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器深度解析

在電力電子領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是連接控制電路和功率晶體管的關(guān)鍵橋梁，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率、可靠性和穩(wěn)定性。德州儀器（TI）的UCC21520和UCC21520A隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，憑借其出色的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。今天，我們就來(lái)深入探討一下這兩款柵極驅(qū)動(dòng)器。

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一、核心特性亮點(diǎn)

1. 卓越的電氣性能

UCC21520和UCC21520A具備一系列出色的電氣特性。其典型傳播延遲僅為33ns，最小脈沖寬度可達(dá)20ns，最大脈沖寬度失真不超過(guò)6ns，這些參數(shù)確保了驅(qū)動(dòng)器能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，它的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）大于125V/ns，能夠有效抵抗高速瞬態(tài)干擾，保證系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 強(qiáng)大的輸出能力

該驅(qū)動(dòng)器提供4A的峰值源電流和6A的峰值灌電流輸出，能夠?yàn)楣β?a href="http://m.makelele.cn/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET、IGBT和SiC MOSFET等提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，確保功率晶體管的快速開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)損耗。

3. 寬電壓范圍兼容性

輸入VCCI范圍為3V至18V，可與數(shù)字和模擬控制器輕松接口，輸出驅(qū)動(dòng)電源VDD最高可達(dá)25V，并且提供–5V和8V的VDD欠壓鎖定（UVLO）選項(xiàng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

4. 可編程功能

支持可編程重疊和死區(qū)時(shí)間設(shè)置，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整，有效防止上下管直通，提高系統(tǒng)的安全性。此外，還具備快速禁用功能，可用于電源排序，方便系統(tǒng)的控制和管理。

5. 安全認(rèn)證

計(jì)劃獲得多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的8000V PK強(qiáng)化隔離、符合UL 1577的5.7kV RMS一分鐘隔離以及符合GB4943.1 - 2022的CQC認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。

二、廣泛應(yīng)用領(lǐng)域

UCC21520和UCC21520A的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）電池充電器、DC - DC和AC - DC電源中的隔離式轉(zhuǎn)換器、服務(wù)器、電信、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC - AC太陽(yáng)能逆變器、LED照明、感應(yīng)加熱以及不間斷電源（UPS）等多個(gè)領(lǐng)域。其靈活的配置和高性能特性，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

三、詳細(xì)功能剖析

1. 欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)

驅(qū)動(dòng)器在VDD和VCCI電源電路中均具備內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD偏置電壓低于啟動(dòng)時(shí)的VVDD_ON或啟動(dòng)后的VVDD_OFF時(shí)，VDD UVLO功能會(huì)將受影響的輸出拉低，無(wú)論輸入引腳（INA和INB）的狀態(tài)如何。同樣，輸入側(cè)的VCCI電壓低于VCCI_ON時(shí)，設(shè)備不會(huì)激活；低于VCCI_OFF時(shí)，信號(hào)傳輸將停止。UVLO的滯回特性可以防止電源噪聲引起的抖動(dòng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 輸入輸出邏輯

輸入引腳（INA、INB和DIS）采用TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與VDD電源電壓完全隔離，易于由邏輯電平控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。典型的高閾值（VINAH）為1.8V，低閾值為1V，且受溫度影響較小，寬滯回（VINA_HYS）為0.8V，具有良好的抗噪性和穩(wěn)定性。如果輸入引腳懸空，內(nèi)部下拉電阻會(huì)將其拉低，但建議在不使用時(shí)將輸入接地，以提高抗干擾能力。

3. 輸出級(jí)設(shè)計(jì)

輸出級(jí)采用獨(dú)特的上拉結(jié)構(gòu)，在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的米勒平臺(tái)區(qū)域，能夠提供最高的峰值源電流。上拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)P溝道MOSFET和一個(gè)額外的N溝道MOSFET并聯(lián)組成，N溝道MOSFET在輸出從低到高轉(zhuǎn)換的瞬間提供短暫的峰值電流增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。下拉結(jié)構(gòu)由一個(gè)N溝道MOSFET組成，兩個(gè)輸出均能提供4A的峰值源電流和6A的峰值灌電流脈沖，輸出電壓在VDD和VSS之間擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌到軌操作。

4. 可編程死區(qū)時(shí)間（DT）

用戶可以通過(guò)DT引腳靈活調(diào)整死區(qū)時(shí)間。將DT引腳連接到VCCI時(shí)，輸出完全匹配輸入，無(wú)死區(qū)時(shí)間；在DT引腳和GND之間連接一個(gè)2kΩ至500kΩ的電阻（RDT），可以根據(jù)公式DT（ns） = 10 x RDT（kΩ）調(diào)整死區(qū)時(shí)間。為了提高抗噪性，建議在RDT旁并聯(lián)一個(gè)不超過(guò)1nF的陶瓷電容。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸入濾波器設(shè)計(jì)

為了濾除非理想布局或長(zhǎng)PCB走線引入的振鈴，建議使用一個(gè)小的輸入RIN - CIN濾波器，RIN范圍為0Ω至100Ω，CIN為10pF至100pF。在選擇這些組件時(shí)，需要注意在良好的抗噪性和傳播延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

2. 外部自舉二極管和電阻選擇

自舉二極管應(yīng)選擇高壓、快速恢復(fù)二極管或具有低正向電壓降和低結(jié)電容的SiC肖特基二極管，以減少反向恢復(fù)損耗和接地噪聲反彈。同時(shí)，建議使用自舉電阻RBOOT來(lái)限制D_BOOT中的浪涌電流和VDDA - VSSA電壓的上升斜率，RBOOT的值通常在1Ω至20Ω之間。

3. 柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電阻

外部柵極驅(qū)動(dòng)器電阻RON / ROFF用于限制寄生電感/電容和高電壓/電流開(kāi)關(guān)引起的振鈴，微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化開(kāi)關(guān)損耗，減少電磁干擾（EMI）。可以根據(jù)公式計(jì)算峰值源電流和峰值灌電流，實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮PCB布局和負(fù)載電容的影響。

4. 柵源電阻選擇

建議使用一個(gè)柵源電阻RGS，在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出未供電或處于不確定狀態(tài)時(shí)，將柵極電壓拉低至源極電壓，降低dv/dt引起的誤開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)。RGS的大小通常在5.1kΩ至20kΩ之間，具體取決于功率器件的Vth和CGD與CGS的比值。

5. 柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗估算

柵極驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)的總損耗PG包括UCC21520的功率損耗PGD和外圍電路的功率損耗。PGD可以通過(guò)計(jì)算靜態(tài)功率損耗PGDQ和開(kāi)關(guān)操作損耗PGDO來(lái)估算，不同情況下PGDO的計(jì)算方法有所不同。

6. 結(jié)溫估算

可以使用公式TJ = TC + ΨJT × PGD估算UCC21520的結(jié)溫，其中TC是通過(guò)熱電偶或其他儀器測(cè)量的器件頂部溫度，ΨJT是熱信息表中的結(jié)到頂部表征參數(shù)。使用ΨJT可以大大提高結(jié)溫估算的準(zhǔn)確性。

7. 電容選擇

VCCI、VDDA和VDDB的旁路電容對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠性能至關(guān)重要。建議選擇具有足夠電壓額定值、溫度系數(shù)和電容公差的低ESR和低ESL表面貼裝多層陶瓷電容器（MLCC）。同時(shí)，需要考慮DC偏置對(duì)MLCC實(shí)際電容值的影響。

8. 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

對(duì)于采用半橋拓?fù)涞墓β兽D(zhuǎn)換器，上下管之間的死區(qū)時(shí)間設(shè)置對(duì)于防止動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)期間的直通至關(guān)重要?？梢愿鶕?jù)公式DT_Setting = DT_Req + TF_Sys + TR_Sys - TD(on)設(shè)置UCC21520的死區(qū)時(shí)間，其中DT_Setting為UCC21520的死區(qū)時(shí)間設(shè)置，DT_Req為系統(tǒng)所需的死區(qū)時(shí)間，TF_Sys和TR_Sys分別為系統(tǒng)中柵極關(guān)斷和導(dǎo)通的最壞情況上升時(shí)間，TD(on)為導(dǎo)通延遲時(shí)間。

五、布局注意事項(xiàng)

1. 元件布局

低ESR和低ESL電容應(yīng)靠近器件連接在VCCI和GND引腳以及VDD和VSS引腳之間，以支持外部功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的高峰值電流。為了避免開(kāi)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和底部晶體管源極之間的寄生電感。死區(qū)時(shí)間設(shè)置電阻RDT及其旁路電容應(yīng)靠近DT引腳放置，連接DIS引腳到微控制器時(shí)，建議在DIS引腳附近使用一個(gè)約1nF的低ESR/ESL電容C_DIS進(jìn)行旁路。

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上的噪聲。柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近晶體管放置，同時(shí)注意包含自舉電容、自舉二極管、本地VSSB參考旁路電容和低端晶體管體/反并聯(lián)二極管的高電流路徑，盡量減小該環(huán)路的長(zhǎng)度和面積。

3. 高壓考慮

為了確保初級(jí)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，建議采用PCB切口來(lái)防止可能影響隔離性能的污染。對(duì)于半橋或高端/低端配置，應(yīng)增加輸出級(jí)中高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)器之間的PCB走線爬電距離，以提高高壓操作的可靠性，減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)VSSA（SW）處高dv/dt引起的串?dāng)_。

4. 熱考慮

如果驅(qū)動(dòng)電壓高、負(fù)載重或開(kāi)關(guān)頻率高，UCC21520或UCC21520A可能會(huì)消耗大量功率。合理的PCB布局有助于將熱量從器件散發(fā)到PCB，降低結(jié)到板的熱阻抗（θJB）。建議增加連接到VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引腳的PCB銅面積，優(yōu)先考慮最大化與VSSA和VSSB的連接。如果系統(tǒng)有多層，建議通過(guò)多個(gè)適當(dāng)尺寸的過(guò)孔將VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引腳連接到內(nèi)部接地或電源平面，但要注意不同高壓平面的走線/銅箔不應(yīng)重疊。

六、總結(jié)

UCC21520和UCC21520A隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器以其卓越的性能、豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇和配置驅(qū)動(dòng)器，并注意布局和散熱等方面的問(wèn)題，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的功率轉(zhuǎn)換。希望本文能夠?yàn)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/125/" target="_blank">電子工程師們?cè)谑褂眠@兩款驅(qū)動(dòng)器時(shí)提供一些有益的參考。你在使用UCC21520或UCC21520A的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。