UCC21717-Q1：汽車用碳化硅/IGBT高端單通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電力電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們來深入探討一款高性能的汽車級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)器——UCC21717-Q1，它專為碳化硅（SiC）MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計(jì)，具備諸多先進(jìn)特性，能有效提升系統(tǒng)的可靠性和效率。

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一、產(chǎn)品概述

UCC21717-Q1是一款單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，適用于功能安全質(zhì)量管理系統(tǒng)。它能驅(qū)動(dòng)高達(dá)2121V的SiC MOSFET和IGBT，最大輸出驅(qū)動(dòng)電壓（VDD - VEE）可達(dá)33V，具備±10A的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和分離輸出，最小共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）為150V/ns，過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間僅270ns。此外，它還集成了4A內(nèi)部有源米勒鉗位、400mA故障軟關(guān)斷功能，以及帶PWM輸出的隔離式模擬傳感器，可用于溫度和電壓傳感。

二、關(guān)鍵特性剖析

2.1 高隔離性能

UCC21717-Q1采用SiO?電容隔離技術(shù)，輸入側(cè)與輸出側(cè)有效隔離，支持最高1.5kV RMS工作電壓和12.8kV PK浪涌抗擾度，隔離屏障壽命超40年。這種高隔離性能為高低壓側(cè)之間提供了可靠的電氣隔離，有效防止干擾和故障傳播，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于電動(dòng)汽車等對(duì)安全性要求極高的場(chǎng)景，這種長(zhǎng)壽命、高耐壓的隔離設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2.2 強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力

±10A的峰值源電流和灌電流使其能夠直接驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET模塊和IGBT模塊，無需額外緩沖電路。而且，無論VDD電壓如何，峰值源電流和灌電流都能穩(wěn)定保持在10A，強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有助于快速切換設(shè)備，降低開關(guān)損耗。在高功率應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車的牽引逆變器，快速的開關(guān)速度和低開關(guān)損耗可以提高系統(tǒng)效率，減少能量損失。

2.3 全面保護(hù)功能

• 過流和短路保護(hù)：具有快速過流和短路檢測(cè)功能，OC引腳典型閾值為0.7V（相對(duì)于COM）。通過SenseFET、傳統(tǒng)去飽和電路或分流電阻等方式檢測(cè)電流，檢測(cè)到故障后啟動(dòng)軟關(guān)斷，將故障信號(hào)報(bào)告給低電壓側(cè)的DSP/MCU，并通過RST/EN引腳復(fù)位。對(duì)于SiC MOSFET和IGBT這類昂貴且易損壞的功率器件，快速準(zhǔn)確的過流和短路保護(hù)能有效避免器件損壞，提高系統(tǒng)可靠性。
• 欠壓鎖定（UVLO）：VCC和VDD電源都具備內(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LOW，只有當(dāng)兩者都恢復(fù)正常時(shí)，輸出才變?yōu)镠IGH。VDD UVLO閾值為12V，具有800mV的遲滯，可降低功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通損耗，提高功率級(jí)效率。在電源電壓不穩(wěn)定的情況下，UVLO能防止器件在低電壓下工作，避免因?qū)娮柙龃蠖鴮?dǎo)致的過熱和效率降低問題。
• 有源米勒鉗位：在驅(qū)動(dòng)器OFF狀態(tài)下，可防止因米勒電容引起的誤開啟。當(dāng)柵極電壓低于VCLMPTH（比VEE高2V）時(shí)，內(nèi)部MOSFET觸發(fā)，形成低阻抗路徑，避免功率半導(dǎo)體出現(xiàn)直通故障。在同步整流模式等應(yīng)用中，這種功能可以有效防止器件因米勒效應(yīng)而誤觸發(fā)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 軟關(guān)斷功能：過流和短路故障發(fā)生或RST/EN引腳拉低超過tRSTPD時(shí)，啟動(dòng)軟關(guān)斷。通過控制柵極電壓的下降速度，降低dI/dt，限制功率半導(dǎo)體的過沖電壓，防止過壓擊穿。在故障發(fā)生時(shí)，軟關(guān)斷能減少器件的應(yīng)力，延長(zhǎng)器件壽命。

2.4 模擬信號(hào)傳感功能

具備隔離式模擬到PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換功能（AIN - APWM），可用于溫度、高壓直流母線電壓等模擬信號(hào)的傳感。AIN引腳內(nèi)部有一個(gè)精度為±3%的203 - μA電流源，可偏置外部熱敏二極管或溫度傳感電阻。電壓信號(hào)V AIN被編碼為PWM信號(hào)，通過隔離屏障傳輸?shù)捷斎雮?cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)功率半導(dǎo)體溫度和母線電壓的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，提高系統(tǒng)的可靠性。

三、應(yīng)用場(chǎng)景及典型設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

UCC21717-Q1適用于多種電力電子應(yīng)用，如電動(dòng)汽車（EV）的牽引逆變器、車載充電器和充電樁、混合動(dòng)力汽車（HEV）/EV的DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)電源等。其高隔離、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)和完善的保護(hù)功能使其能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)可靠性和效率的要求。

3.2 典型設(shè)計(jì)案例 - 半橋電路

以基于IGBT的半橋電路設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

• 輸入濾波器設(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，dV/dt較高，容易產(chǎn)生噪聲。UCC21717 - Q1的IN+、IN - 和RST/EN引腳內(nèi)置40ns消抖濾波器，可過濾小于40ns的信號(hào)。對(duì)于噪聲較大的系統(tǒng)，可添加外部低通濾波器，提高噪聲抗擾性和信號(hào)完整性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的濾波器電阻和電容，平衡噪聲抑制效果和延遲時(shí)間。
• PWM互鎖設(shè)計(jì)：IN+和IN - 引腳具有PWM互鎖功能，可防止相臂直通問題。當(dāng)兩個(gè)引腳都為邏輯高時(shí)，輸出為邏輯低。在半橋電路中，可將另一個(gè)開關(guān)的PWM信號(hào)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的IN - 引腳，實(shí)現(xiàn)互鎖保護(hù)。這種設(shè)計(jì)可以有效避免因PWM信號(hào)異常導(dǎo)致的相臂直通故障，提高系統(tǒng)的安全性。
• 引腳電路設(shè)計(jì)：FLT和RDY引腳為開漏輸出，RST/EN引腳有50kΩ內(nèi)部下拉電阻，默認(rèn)處于OFF狀態(tài)。可使用5kΩ上拉電阻，并在引腳與微控制器之間添加100pF - 300pF的濾波電容，提高噪聲抗擾性。合理的引腳電路設(shè)計(jì)可以確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。
• RST/EN引腳控制：RST/EN引腳有兩個(gè)功能，一是使能或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器輸出，二是在檢測(cè)到OC故障后復(fù)位FLT引腳。故障發(fā)生后，微控制器需發(fā)送信號(hào)，信號(hào)需在靜音時(shí)間tFLTMUTE后保持低電平至少tRSTFIL。也可將連續(xù)輸入信號(hào)IN+或IN - 連接到RST/EN引腳，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位功能，此時(shí)需確保PWM關(guān)斷時(shí)間大于tRSTFIL。
• 開關(guān)電阻設(shè)計(jì)：UCC21717 - Q1的分離輸出OUTH和OUTL可獨(dú)立控制開關(guān)速度。通過計(jì)算峰值源電流和灌電流來選擇合適的外部開關(guān)電阻，同時(shí)要考慮驅(qū)動(dòng)器的功耗，確保其在熱極限范圍內(nèi)。例如，對(duì)于一個(gè)具有特定參數(shù)的IGBT模塊系統(tǒng)，選擇合適的開關(guān)電阻可以優(yōu)化開關(guān)速度和功耗，提高系統(tǒng)性能。
• 過流和短路保護(hù)設(shè)計(jì)
  • 基于集成SenseFET的模塊：適用于帶有集成SenseFET的SiC MOSFET和IGBT模塊，通過外部高精度傳感電阻測(cè)量電流，設(shè)置保護(hù)閾值。該方法精度高，噪聲抗擾性好，可添加低通濾波器進(jìn)一步提高性能。
  • 基于去飽和電路：對(duì)于無SenseFET的模塊，采用去飽和（DESAT）電路進(jìn)行過流和短路保護(hù)。通過外部電阻分壓器和電流源生成檢測(cè)閾值和消隱時(shí)間，可通過外部元件編程調(diào)整。這種方法功率損耗小，易于實(shí)現(xiàn)，但保護(hù)精度相對(duì)較低。
  • 基于功率回路中的分流電阻：在低功率應(yīng)用中，可在功率回路中串聯(lián)分流電阻直接測(cè)量電流。該方法精度高，但不適用于高功率應(yīng)用或dI/dt較大的情況，需優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少對(duì)柵極電壓的影響。
• 隔離式模擬信號(hào)傳感設(shè)計(jì)
  • 隔離式溫度傳感：可用于功率半導(dǎo)體的溫度監(jiān)測(cè)，將AIN引腳連接到熱敏二極管或熱敏電阻，添加低通濾波器濾波。輸出的APWM信號(hào)可直接連接到微控制器測(cè)量占空比，也可通過濾波后由ADC引腳測(cè)量電壓。通過校準(zhǔn)，可提高占空比測(cè)量的精度。
  • 隔離式直流母線電壓傳感：AIN - APWM通道可用于直流母線電壓傳感，通過電阻分壓器將電壓降至AIN電壓范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮內(nèi)部電流源的影響。

四、電源和布局建議

4.1 電源建議

為了保證UCC21717 - Q1的穩(wěn)定運(yùn)行，在電源設(shè)計(jì)方面，建議在VDD和COM、VEE和COM之間使用10μF旁路電容，在VCC和GND之間使用1μF旁路電容，并為每個(gè)電源添加0.1μF去耦電容，以過濾高頻噪聲。這些電容應(yīng)選用低ESR和ESL的元件，并盡量靠近VCC、VDD和VEE引腳放置，減少PCB布局寄生參數(shù)的影響。

4.2 布局建議

PCB設(shè)計(jì)時(shí)需謹(jǐn)慎考慮。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡量靠近功率半導(dǎo)體，減少柵極回路的寄生電感；輸入和輸出電源的去耦電容要靠近電源引腳；COM引腳應(yīng)連接到SiC MOSFET源極或IGBT發(fā)射極的Kelvin連接；輸入側(cè)使用接地平面屏蔽輸入信號(hào)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)器用于低側(cè)或高側(cè)開關(guān)的不同情況，合理使用輸出側(cè)接地平面；若不使用輸出側(cè)接地平面，需將OC和AIN接地回路的返回路徑與柵極回路接地分開；避免在驅(qū)動(dòng)器下方有PCB走線或銅箔，可采用PCB切口防止輸入輸出側(cè)之間的噪聲耦合。

五、總結(jié)

UCC21717 - Q1以其卓越的隔離性能、強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、全面的保護(hù)功能和靈活的模擬信號(hào)傳感能力，為SiC MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理運(yùn)用其各項(xiàng)特性和功能，同時(shí)注意電源和布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的可靠性、效率和性能。大家在使用UCC21717 - Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，有沒有遇到過什么獨(dú)特的問題或者有什么創(chuàng)新的應(yīng)用思路呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。