UCC21220和UCC21220A隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電力電子領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于功率晶體管的高效、可靠開關(guān)至關(guān)重要。德州儀器（TI）的UCC21220和UCC21220A是兩款功能強(qiáng)大的雙路隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，具備諸多優(yōu)秀特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。今天，我們就來深入了解一下這兩款驅(qū)動(dòng)器。

文件下載：ucc21220.pdf

一、產(chǎn)品概述

UCC21220和UCC21220A是基本和功能性隔離的雙路柵極驅(qū)動(dòng)器，具有4A峰值源電流和6A峰值灌電流。它們專為驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和GaNFET而設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于PFC、隔離式DC/DC和同步整流等場(chǎng)景，擁有快速的開關(guān)性能和強(qiáng)大的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），能有效抵御大于125V/ns的共模干擾。

這兩款驅(qū)動(dòng)器具有高度的靈活性，可配置為兩個(gè)低側(cè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器或半橋驅(qū)動(dòng)器。此外，兩個(gè)輸出還可以并聯(lián)，以在重載條件下提供雙倍的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 通用配置

支持雙低側(cè)、雙高側(cè)或半橋驅(qū)動(dòng)模式，能滿足不同的電路拓?fù)湫枨?，?a target="_blank">工程師提供了更多的設(shè)計(jì)選擇。

2.2 隔離性能

支持基本和功能性隔離，可有效防止電氣干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其絕緣規(guī)格表現(xiàn)出色，如外部爬電距離和電氣間隙均大于4mm，內(nèi)部絕緣距離大于17μm，比較跟蹤指數(shù)（CTI）大于400V等。

2.3 高CMTI

CMTI大于125V/ns，這使得驅(qū)動(dòng)器在高噪聲環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，有效避免因共模瞬態(tài)干擾而導(dǎo)致的誤觸發(fā)。

2.4 強(qiáng)大的輸出能力

高達(dá)4A峰值源電流和6A峰值灌電流，能夠快速地對(duì)功率晶體管的柵極電容進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)動(dòng)作，降低開關(guān)損耗。

2.5 快速的開關(guān)參數(shù)

典型傳播延遲僅33ns，最大脈沖寬度失真為5ns，最大VDD上電延遲為10μs，確保了信號(hào)的快速準(zhǔn)確傳輸，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.6 寬電壓范圍

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)，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

2.7 寬溫度范圍

結(jié)溫范圍（Tj）為 -40°C至150°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

2.8 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4242VPK隔離、符合UL 1577的3000VRMS一分鐘隔離以及符合GB4943.1 - 2022的CQC認(rèn)證，為產(chǎn)品的安全性提供了有力保障。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 服務(wù)器電源

在服務(wù)器電源中，UCC21220和UCC21220A可用于PFC和隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換，提高電源的效率和功率密度，確保服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 太陽能逆變器和功率優(yōu)化器

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器能夠快速準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)功率晶體管，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和最大功率點(diǎn)跟蹤，提高太陽能的利用率。

3.3 電信磚式轉(zhuǎn)換器

為電信設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源轉(zhuǎn)換，滿足電信設(shè)備對(duì)電源的高要求。

3.4 無線基礎(chǔ)設(shè)施

在無線基站等設(shè)備中，驅(qū)動(dòng)器可用于功率放大和電源管理，確保無線信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

3.5 工業(yè)運(yùn)輸和機(jī)器人

適用于工業(yè)運(yùn)輸車輛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，提供高效、可靠的驅(qū)動(dòng)能力。

四、詳細(xì)描述

4.1 功能框圖

UCC21220和UCC21220A的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括輸入邏輯、隔離模塊、驅(qū)動(dòng)器等部分。輸入側(cè)和輸出側(cè)通過隔離模塊實(shí)現(xiàn)電氣隔離，確保了信號(hào)的可靠傳輸。

4.2 特性描述

4.2.1 VDD和VCCI的UVLO保護(hù)

驅(qū)動(dòng)器在VDD和VCCI電源電路中均具有內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)VDD偏置電壓低于啟動(dòng)閾值或啟動(dòng)后低于關(guān)斷閾值時(shí)，UVLO功能會(huì)將輸出拉低，無論輸入引腳的狀態(tài)如何。同時(shí)，輸入側(cè)的UVLO保護(hù)也能確保在VCCI電壓不足時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不工作，避免異常情況的發(fā)生。

4.2.2 輸入和輸出邏輯

輸入引腳（INA、INB和DIS）采用TTL和CMOS兼容的輸入閾值邏輯，與數(shù)字和模擬電源控制器都能方便地接口。DIS引腳用于禁用或啟用驅(qū)動(dòng)器輸出，當(dāng)該引腳置高或懸空時(shí)，兩個(gè)輸出同時(shí)關(guān)閉；置低時(shí)，驅(qū)動(dòng)器正常工作。

4.2.3 輸入級(jí)

輸入引腳具有典型的高閾值2V和低閾值1V，且閾值隨溫度變化較小，寬滯回（1V）特性提供了良好的抗噪能力和穩(wěn)定的操作。如果輸入引腳懸空，內(nèi)部下拉電阻會(huì)將引腳拉低，但為了獲得更好的抗噪性能，建議將未使用的輸入引腳接地。

4.2.4 輸出級(jí)

輸出級(jí)采用了獨(dú)特的上拉和下拉結(jié)構(gòu)，能夠在功率開關(guān)的米勒平臺(tái)區(qū)域提供高峰值源電流，實(shí)現(xiàn)快速的導(dǎo)通。兩個(gè)輸出均可提供4A峰值源電流和6A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。

4.3 設(shè)備功能模式

4.3.1 禁用引腳

DIS引腳置高或懸空時(shí)，會(huì)同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)輸出；接地時(shí)，驅(qū)動(dòng)器正常工作。該引腳響應(yīng)迅速，在VCCI高于UVLO閾值時(shí)有效。為了獲得更好的抗噪性能，建議將該引腳接地，并在連接到微控制器時(shí)，使用一個(gè)約1nF的低ESR/ESL電容進(jìn)行旁路。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)

5.1 典型應(yīng)用

以UCC21220或UCC21220A驅(qū)動(dòng)650 - V MOSFET的半橋配置為例，展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的電路連接和設(shè)計(jì)要求。

5.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

5.2.1 設(shè)計(jì)INA/INB輸入濾波器

為了濾除由不理想的布局或長(zhǎng)PCB走線引入的振鈴，可以使用一個(gè)小的輸入RIN - CIN濾波器。RIN取值范圍為0Ω至100Ω，CIN取值范圍為10pF至100pF，在選擇這些組件時(shí)，需要權(quán)衡良好的抗噪性能和傳播延遲。

5.2.2 選擇外部自舉二極管及其串聯(lián)電阻

自舉電容在低側(cè)晶體管導(dǎo)通時(shí)通過外部自舉二極管由VDD充電，因此應(yīng)選擇高壓、快速恢復(fù)二極管或具有低正向壓降和低結(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)，使用自舉電阻RBOOT來減少D BOOT中的浪涌電流，并限制VDDA電壓的上升斜率。

5.2.3 選擇柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電阻

外部柵極驅(qū)動(dòng)器電阻RON和ROFF用于限制寄生電感/電容引起的振鈴、高壓/電流開關(guān)dv/dt和體二極管反向恢復(fù)引起的振鈴、微調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度以及減少電磁干擾（EMI）。通過計(jì)算可以預(yù)測(cè)峰值源電流和峰值灌電流，但實(shí)際值還會(huì)受到PCB布局和負(fù)載電容的影響。

5.2.4 估算柵極驅(qū)動(dòng)器功率損耗

柵極驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)的總損耗PG包括UCC21220和UCC21220A的功率損耗PGD以及外圍電路的功率損耗。PGD可以通過計(jì)算靜態(tài)功率損耗PGDQ和開關(guān)操作損耗PGDO來估算，具體計(jì)算方法根據(jù)不同的情況有所不同。

5.2.5 估算結(jié)溫

結(jié)溫（TJ）可以通過公式TJ = TC + ΨJT × PGD估算，其中TC是器件的外殼溫度，ΨJT是結(jié)到頂部的特性參數(shù)。

5.2.6 選擇電容

包括選擇自舉電容CBOOT、VDDB電容等，以滿足電路的電流需求和瞬態(tài)性能要求。

5.2.7 輸出級(jí)負(fù)偏置應(yīng)用電路

當(dāng)PCB布局不理想或封裝引腳較長(zhǎng)時(shí)，功率晶體管的柵源驅(qū)動(dòng)電壓可能會(huì)出現(xiàn)振鈴，施加負(fù)偏置是一種常見的解決方法。文中介紹了幾種實(shí)現(xiàn)負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)偏置的示例電路。

5.3 應(yīng)用曲線

通過實(shí)際的測(cè)試波形，展示了在特定條件下（VCC = 5.0V、VDD = 12V、fSW = 100kHz、VDC - Link = 400V），INA/INB和OUTA/B的信號(hào)波形，以及功率晶體管的柵源信號(hào)波形，為工程師提供了直觀的參考。

六、電源和布局建議

6.1 電源建議

推薦的輸入電源電壓（VCCI）范圍為3V至5.5V，輸出偏置電源電壓（VDDA/VDDB）范圍為9.2V至25V。在VDD和VSS引腳之間以及VCCI和GND引腳之間應(yīng)放置旁路電容，以提供穩(wěn)定的電源。

6.2 布局指南

6.2.1 組件放置

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。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，避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSSA（HS）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變。

6.2.2 接地

應(yīng)將充電和放電晶體管柵極的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以降低環(huán)路電感并最小化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。

6.2.3 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，建議使用PCB切口來防止可能影響隔離性能的污染。對(duì)于半橋或高側(cè)/低側(cè)配置，應(yīng)盡量增加高低側(cè)PCB走線之間的電氣間隙。

6.2.4 熱考慮

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓高、負(fù)載重或開關(guān)頻率高時(shí)，UCC21220和UCC21220A可能會(huì)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，最小化結(jié)到板的熱阻。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。

七、總結(jié)

UCC21220和UCC21220A隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，為工程師在功率電子設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和電路條件，合理選擇和設(shè)計(jì)相關(guān)組件，同時(shí)注意電源和布局的優(yōu)化，以充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器的性能，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

你在使用UCC21220和UCC21220A時(shí)遇到過哪些問題呢？或者你對(duì)這兩款驅(qū)動(dòng)器還有其他的疑問嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。