德州仪器UCC21738-Q1隔离式单通道栅极驱动器技术解析

Texas Instrument UCC21738-Q1隔离式单通道栅极驱动器专门设计用于直流工作电压高达2121V的IGBT和SiC MOSFET。这些器件具有先进的保护功能、出色的动态性能和稳健性。该器件具有高达±10A峰值拉电流和灌电流。采用SiO2 电容隔离技术，输入侧与输出侧隔离。该特性支持高达1.5kVRMS 工作电压和12.8kVPK 浪涌抗扰度，隔离栅寿命超过40年。并提供较低的器件间偏移，共模瞬态抗扰度 (CMTI) 大于150V/ns。

数据手册：*附件：Texas Instruments UCC21738-Q1隔离式单通道栅极驱动器数据手册.pdf

Texas Instruments UCC21738-Q1包括最先进的保护功能，例如短路检测和快速过流、故障报告、分流电流感应支持、有源米勒钳位、输出和输入侧电源 UVLO，以优化IGBT和SiC开关稳健性和行为。ASC功能可用于在系统故障事件期间强制打开电源开关。此功能进一步提高了驱动器的多功能性，并简化了系统设计尺寸、工作量和成本。

特性

• 5.7kVRMS 单通道隔离式栅极驱动器
• 下列性能符合AEC-Q100标准：
  • 器件温度等级1（-40°C至+125°C环境工作温度范围）
  • 器件HBM ESD分类等级3A
  • 器件充电器件模型 (CDM) ESD分类等级C6
• 功能安全质量管理型
  • 可提供帮助进行功能安全系统设计的文档
• 高达2121Vpk 的SiC MOSFET和IGBT
• 最大输出驱动电压（V DD -VEE）：33V
• ±10A驱动强度和分割输出
• 最低CMTI：150V/ns
• 270ns响应时间快速过流保护
• 外部有源米勒钳位
• 发生故障时软关断：900mA
• 隔离侧的ASC输入可在系统出现故障时打开电源开关
• 过流报警FLT和RST/EN复位
• 在RST/EN上快速启用/禁用响应
• 抑制输入引脚上<40ns的瞬态噪声和脉冲
• 12V VDD UVLO，RDY电源良好
• 输入/输出可耐受高达5 V的过冲/欠冲瞬态电压
• 130 ns（最大值）传播延迟和30 ns（最大值）脉冲/零件偏移
• SOIC-16 DW封装，爬电距离和电气间隙大于8mm
• 工作结温： -40°C至150°C

引脚配置

德州仪器UCC21738-Q1隔离式栅极驱动器技术解析

核心特性

1. ‌高性能驱动能力‌：
   • ±10A峰值驱动电流(源/灌)
   • 33V最大输出驱动电压(VDD-VEE)
   • 150V/ns最小共模瞬态抗扰度(CMTI)
   • 130ns最大传播延迟和30ns器件间偏差
2. ‌高级保护功能‌：
   • 270ns快速过流保护响应
   • 900mA软关断电流
   • 外部有源米勒钳位
   • 系统故障时ASC功能强制开关导通
3. ‌安全隔离‌：
   • 5.7kVRMS单通道隔离
   • 12.8kVPK浪涌抗扰度
   • 40年以上隔离屏障寿命
   • 符合功能安全标准(支持ASIL B等级)
4. ‌灵活的电源选项‌：
   • 输入侧供电：3-5.5V
   • 输出侧供电：13-33V
   • 支持负电压驱动(VEE至-16V)

关键技术创新

1. 混合输出级架构

UCC21738-Q1采用独特的混合输出结构，将P沟道MOSFET与N沟道MOSFET并联作为上拉，N沟道MOSFET单独作为下拉。这种设计在米勒平台区提供最高峰值源电流(约5.9A@1Ω外部栅极电阻)，有效降低开关损耗。

2. 多重保护机制

器件集成了全面的保护功能：

• ‌过流保护‌：支持SenseFET、DESAT和分流电阻三种检测方式
• ‌软关断‌：故障时900mA可控关断电流，限制电压过冲
• ‌ 有源短路(ASC) ‌：系统故障时强制开关导通，形成相间短路保护电池
• ‌电源监测‌：输入/输出侧UVLO保护，RDY引脚指示电源状态

3. 增强型隔离技术

采用SiO2电容隔离技术实现：

• 1.5kVRMS工作电压
• 8mm外部爬电距离

• 600V比较跟踪指数(CTI)

• 通过UL 1577和VDE 0884-17认证

典型应用

1. ‌电动汽车动力系统‌：
   • 牵引电机逆变器
   • 车载充电器(OBC)
   • DC-DC转换器
2. ‌工业应用‌：
   • 电机驱动器
   • 太阳能逆变器
   • 工业电源

设计要点

1. ‌布局建议‌：
   • 驱动芯片尽可能靠近功率器件
   • VDD/VEE去耦电容(10μF)靠近引脚放置
   • COM引脚采用开尔文连接至IGBT发射极
   • 输出侧避免使用地平面(高边驱动时)
2. ‌栅极电阻选择‌：
   • 计算公式：R_G = (VDD-VEE)/I_peak - R_internal
   • 典型值：1-10Ω(根据开关速度需求)
   • 分开设置开通(R_ON)和关断(R_OFF)电阻
3. ‌过流保护实现‌：
   • ‌SenseFET方案‌：精度高，适合大功率模块
   • ‌DESAT方案‌：需外部分压电阻和高压二极管
   • ‌分流电阻‌：仅推荐低功率应用

性能参数

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
传播延迟	CL=100pF	-	90	130	ns
峰值驱动电流	VDD=20V, VEE=-5V	10	-	-	A
VDD UVLO阈值	上升沿	10.5	11.4	12.8	V
工作温度	-	-40	-	150	°C
隔离耐压	60s测试	-	-	5700	VRMS

开发资源

TI为UCC21738-Q1提供完整的设计支持：

• 参考设计原理图和PCB布局示例
• PSPICE模型和IBIS模型
• 栅极驱动计算工具
• 功能安全文档包
• E2E支持论坛技术答疑

总结

UCC21738-Q1代表了当前汽车功率器件驱动技术的先进水平，其高驱动能力、强抗干扰性和丰富的保护功能使其成为高压SiC/IGBT应用的理想选择。随着电动汽车和可再生能源的发展，这类高可靠性隔离驱动器将在功率转换系统中发挥越来越重要的作用。设计人员应特别注意其布局优化和保护电路设计，以充分发挥器件性能。