UCC21551/UCC21551-Q1隔离式双通道栅极驱动器技术解析与应用指南

Texas Instruments UCC21551/UCC21551-Q1双通道隔离式栅极驱动器采用4A峰值拉电流和6A峰值灌电流设计，用于驱动功率MOSFET、SiC和IGBT晶体管。该隔离式栅极驱动器可配置为两个低侧、两个高侧或一个半桥驱动器。输入侧通过一个5kVRMS 隔离栅与两个输出驱动器隔离，该隔离栅具有最小值125V/ns的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。UCC21551/UCC21551-Q1隔离式栅极驱动器可在各种​​电源应用中实现高效率、高功率密度和稳健性。典型应用包括交流-直流和直流-直流隔离转换器、电机驱动器、逆变器和不间断电源 (UPS)。UCC21551-Q1器件符合汽车应用类AEC-Q100标准。

数据手册：*附件：Texas Instruments UCC21551，UCC21551-Q1隔离式栅极驱动器数据手册.pdf

特性

• 可配置为双低侧、双高侧或半桥驱动器
• 结温范围：–40°C至150 °C
• 高达4A峰值拉电流和6A峰值灌电流输出
• 共模瞬态抗扰度 (CMTI) 大于125V/ns
• 高达25V VDD 输出驱动电源
  • 12V和17V VDD UVLO选项
• 开关参数
  • 传播延迟：33 ns（典型值）
  • 5 ns最大延迟匹配
  • 6 ns最大脉冲宽度失真
  • 10μs最大VDD上电延迟
• 针对所有电源的UVLO保护
• 电源时序快速启用

功能框图

典型应用原理图

UCC21551隔离式双通道栅极驱动器技术解析与应用指南

一、核心特性

• ‌灵活配置‌：支持双低端、双高端或半桥驱动配置
• ‌宽工作温度‌：-40°C至+150°C结温范围
• ‌多种UVLO选项‌：提供5V/8V/12V/17V VDD UVLO版本
• ‌高速开关性能‌：33ns典型传播延迟，5ns最大脉宽失真
• ‌集成保护功能‌：所有电源的UVLO保护，可编程死区时间
• ‌增强隔离‌：符合UL1577、VDE0884-17等安全标准

二、关键参数详解

1. 电气特性

• ‌输入电压范围‌：1.6V至5.5V
• ‌输出电压范围‌：最高25V
• ‌驱动能力‌：
  • 4A峰值源电流
  • 6A峰值灌电流
• ‌导通电阻‌：
  • 上拉：5Ω(典型值)
  • 下拉：0.55Ω(典型值)
• ‌隔离特性‌：
  • 5kVRMS增强隔离
  • 125V/ns CMTI

2. 开关特性

• ‌传播延迟‌：33ns(典型值)
• ‌延迟匹配‌：5ns(最大值)
• ‌上升/下降时间‌：8ns(1.8nF负载时)
• ‌最小输入脉宽‌：12ns(典型值)

三、功能描述

1. 输入和输出配置

UCC21551x提供两个独立控制的通道(OUTA和OUTB)，每个通道由对应的输入引脚(INA/INB)控制。输入侧与输出侧通过电容隔离技术实现电气隔离。

2. 保护特性

• ‌UVLO保护‌：VCCI和VDDx均有欠压锁定功能
• ‌主动下拉‌：在UVLO期间主动将输出拉低
• ‌热关断‌：165°C阈值(典型值)
• ‌反向电流阻断‌：防止输出反向供电

3. 可编程死区时间

通过DT引脚配置可实现：

• 完全禁用死区(引脚悬空或接VCC)
• 固定死区(引脚接GND)
• 可编程死区(通过外部电阻设置)

死区时间计算公式：
tDT = 8.6 × RDT + 13 (RDT单位为kΩ，tDT单位为ns)

四、典型应用设计

1. 半桥驱动配置

典型应用电路包含：

• 输入滤波电路(RIN=51Ω，CIN=33pF)
• 栅极驱动电阻(RON=2.2Ω)
• 自举电路(RBOOT=2.2Ω，CBOOT=1μF)
• 死区设置电阻(RDT=10kΩ→99ns死区)

2. 关键元件选型

• ‌自举二极管‌：建议选用SiC肖特基二极管(如C4D02120E)
• ‌输出电容‌：VDDx引脚建议并联1μF+100nF MLCC
• ‌栅源电阻‌：5.1kΩ至20kΩ范围

3. 功率计算

总驱动功率包含：

• 静态功耗：约112.5mW(5V/20V供电时)
• 开关损耗：约240mW(驱动60nC栅极电荷@100kHz)
• 驱动器损耗：约30mW(考虑外部栅极电阻)

五、PCB布局指南

1. ‌关键元件布置‌：
   • 输入/输出电容尽量靠近器件引脚
   • VIN1/VIN2/VOUT使用宽走线(≥1mm)
   • 热焊盘充分连接至地平面
2. ‌隔离设计‌：
   • 初级侧与次级侧保持8mm以上爬电距离
   • 敏感模拟地(AGND)与功率地(PGND)单点连接
3. ‌热管理‌：
   • DWK封装热阻θJA=74.1°C/W
   • 高电流应用建议使用散热过孔

六、应用场景

1. ‌电源转换‌：
   • AC/DC和DC/DC隔离转换器
   • 高电压DC-DC转换器
2. ‌电机驱动‌：
   • 工业电机驱动器
   • 电动汽车逆变器
3. ‌其他应用‌：
   • 不间断电源(UPS)
   • 车载充电器
   • 汽车HVAC系统

七、型号选择

型号	封装	VDD UVLO	推荐VDD
UCC21551ADWR	SOIC-16	5V	6.7-25V
UCC21551ADWKR	SOIC-14	5V	6.7-25V
UCC21551BDWKR	SOIC-14	8V	9.2-25V
UCC21551CDWKR	SOIC-14	12V	13.5-25V
UCC21551DDWKR	SOIC-14	17V	19-25V

该系列器件凭借其高集成度、强抗干扰能力和灵活的配置选项，成为工业、汽车和能源应用的理想选择。