高性能隔离式DC/DC电源模块UCC14240-Q1技术解析

科技观察员 2025-09-03 1992

描述

Texas Instruments UCC14240-Q1稳压汽车直流-直流模块是一款高隔离电压 (3kV ~~RMS~~ ) 直流/直流模块，设计用于为IGBT或SiC栅极驱动器供电。高精度输出电压可提供更好的通道增强，从而提高系统效率，而不会对功率器件栅极造成过大的压力。UCC14240-Q1集成了具有专有架构的变压器和直流/直流控制器，可实现高效率和超低的发射。

数据手册：*附件：Texas Instruments UCC14240-Q1稳压汽车直流-直流模块数据手册.pdf

UCC14240-Q1能够以高效率提供>1.5W（典型值）的隔离输出功率，包括片上器件保护，并且需要最少的外部组件。其他功能包括输入欠压锁定、过压锁定、输出电压电源正常比较器和过温关断。此外，该器件还具有软启动定时、可调隔离的正负输出电压、使能引脚和开漏输出电源良好引脚。

特性

符合汽车应用类AEC-Q100标准
Fully integrated high-efficiency isolated DC/DC converter with isolation transformer
隔离式直流/直流，用于驱动
- IGBT
- 碳化硅 FET
输出功率：>1.5W（TA =+105°C时）
输入电压范围： 21 V 至 27 V，绝对最大值为 32 V
Adjustable output voltage (with external resistors)
- 18V 至 25V，±1.3%（整个温度范围 (VDD–VEE)）
- 2.5V 至 (VDD – VEE)，±1.3 % (COM–VEE)
低电磁辐射
CMTI >150kV/µs
36 引脚、 12.8 mm x 10.3 mm x 3.55 mm SOIC 封装
保护特性
- UVLO
- OVLO
- 电源正常
- 软启动
- 短路
- Power-limit
- 过热
安全相关认证
- 5657VPK 隔离，符合DIN V VDE V 0884-11:2017-01标准
- 3000V~~RMS~~ 隔离，持续1分钟，符合UL 1577标准
- UL认证，符合IEC 60950-1、IEC 62368-1和IEC 60601-1终端设备标准
- CQC认可，依据GB4943.1-2011

应用示意图

SiC

方框图

SiC

高性能隔离式DC/DC电源模块UCC14240-Q1技术解析

一、产品概述

UCC14240-Q1是德州仪器(TI)推出的一款汽车级高密度隔离DC/DC电源模块，专为驱动IGBT和SiC功率器件设计。这款高度集成的解决方案将变压器和DC/DC控制器结合在一个紧凑的封装内，具有以下突出特点：

‌高功率密度‌：在36引脚SSOP封装中提供高达2W的输出功率(TA≤85°C时)
‌宽输入范围‌：21V至27V工作电压，32V绝对最大值
‌双路可调输出‌：
- (VDD-VEE)输出可调范围18V至25V
- (COM-VEE)输出可调范围2.5V至(VDD-VEE)
‌高精度调节‌：±1.3%的电压调节精度
‌强健的隔离性能‌：>3kVRMS隔离电压，CMTI >150kV/μs

二、关键特性与技术优势

1. 高效率与低EMI设计

UCC14240-Q1采用专有架构实现高效率(典型值>90%)和低辐射：

‌高频开关‌：11-15MHz工作频率配合扩频调制技术有效降低EMI
‌ 零电压开关(ZVS) ‌：减少开关损耗
‌集成变压器‌：优化设计降低寄生参数，减小辐射

2. 先进的保护功能

该模块提供全面的保护机制确保系统可靠性：

‌输入保护‌：欠压锁定(UVLO)和过压锁定(OVLO)
‌输出保护‌：欠压保护(UVP)和过压保护(OVP)
‌热保护‌：初级和次级独立温度监测，150°C关断
‌短路保护‌：RLIM引脚提供COM-VEE输出电流限制

3. 汽车级认证与可靠性

AEC-Q100 Grade 1认证(-40°C至125°C环境温度)
计划认证：
- DIN EN IEC 60747-17(VDE 0884-17)基础隔离
- UL1577 3000VRMS 1分钟隔离
- CQC GB4943.1基础绝缘

三、热设计与布局建议

1. 热管理

‌封装特性‌：RθJA=52.3°C/W(无额外散热)
‌降额曲线‌：参考图6-2至6-4的安全工作区(SOA)
‌布局建议‌：
- 最大化GNDP和VEE引脚铜面积
- 使用多层板并将内层作为散热路径

2. PCB布局要点

‌去耦电容‌：必须紧靠器件引脚放置
‌高频回路‌：最小化输入/输出环路面积
‌隔离间距‌：保持初级(GNDP)和次级(VEE)间足够爬电距离
‌信号分离‌：将RLIM与FBVEE走线分开以减少耦合

四、典型应用场景

UCC14240-Q1非常适合以下应用：

‌电动汽车动力系统‌：
- 牵引逆变器和电机控制
- 车载充电器(OBC)和无线充电器
‌工业驱动‌：
- AC逆变器和变频驱动
- 机器人伺服驱动
‌电网基础设施‌：
- EV充电站电源模块
- 光伏串式逆变器

五、设计实例分析

以驱动SiC MOSFET为例的典型设计参数：

‌门极需求‌：+20V/-5V双电源，Qg=220nC
‌电容计算‌：
- COUT2=220nC/(10%×20V)=1.1μF→选用2.2μF
- COUT3=2.2μF×(20V/5V)×(80mA-20mA)/(80mA-40mA)=13.2μF→选用10μF
‌电阻选择‌：
- RFBVDD_TOP/RFBVDD_BOT按25V输出设计
- RFBVEE_TOP/RFBVEE_BOT按5V输出设计
- RLIM选用1kΩ

六、性能验证

通过UCC14240EVM-052评估模块测试显示：

‌启动时间‌：约3ms完成软启动(图8-4)
‌负载调整率‌：<1% (图6-9至6-14)
‌纹波性能‌：
- 1kHz开关时VDD-VEE纹波<50mV(图8-6)
- 35kHz开关时VEE-COM纹波<30mV(图8-7)
‌效率曲线‌：峰值效率>90%(图6-15至6-17)

七、选型与资源

‌订购信息‌：
- UCC14240QDWNRQ1：36引脚SO-MOD封装
‌设计资源‌：
- UCC14240EVM-052评估模块
- PMP23223参考设计(配UCC21732-Q1门驱)
‌工具支持‌：
- WEBENCH® Power Designer在线设计工具

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