深度剖析 UCC21710-Q1：适用于 SiC/IGBT 的高性能隔离式单通道栅极驱动器

在功率电子领域，对于高效、可靠且功能丰富的栅极驱动器的需求日益增长。德州仪器（Texas Instruments）的 UCC21710-Q1 隔离式单通道栅极驱动器，凭借其卓越的性能和先进的保护特性，成为驱动 SiC MOSFET 和 IGBT 的理想选择。今天我们就带大家深入了解这款产品。

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1. 核心特性亮点

UCC21710-Q1 的特性丰富且实用，涵盖了从电气性能到安全保护等多个方面。

• 强大的电气性能：具备 (5.7kV{RMS}) 的单通道隔离能力，可承受高达 (2121V{pk}) 的电压，适用于高电压应用。其最大输出驱动电压可达 33V，驱动强度高达 ±10A，能够为功率器件提供足够的驱动能力。最小 CMTI 达到 150V/ns，能有效抵抗共模瞬变干扰，确保在高速开关应用中的稳定性。
• 快速的保护响应：过流保护响应时间仅 270ns，能够在极短时间内检测到过流情况并采取保护措施。内部集成 4A 有源米勒钳位电路，可防止功率器件在高速开关过程中因米勒效应而误开启。在发生故障时，能以 400mA 的电流进行软关断，降低故障对器件的损害。
• 隔离式模拟传感：带有隔离式模拟传感器，可通过 PWM 输出实现温度、高压直流母线电压等参数的测量。这种隔离式传感设计，不仅提高了测量的准确性，还增强了系统的安全性。
• 可靠的电源管理：输入电源 VCC 支持 3V 至 5.5V 的宽电压范围，输出侧支持单极性和双极性电源，电压范围从 13V 到 33V。VCC 和 VDD 均具备欠压锁定（UVLO）功能，可在电源电压低于阈值时，将驱动器输出保持为低电平，保护功率器件免受低电压影响，同时提高系统效率。

2. 引脚功能解析

UCC21710-Q1 采用 SOIC-16 DW 封装，各引脚功能明确，为系统设计提供了便利。	引脚名称	引脚编号	I/O	描述
AIN	1	I	隔离式模拟传感输入，可连接小电容到 COM 以提高抗噪性
OC	2	I	过流检测引脚，支持多种检测方式
COM	3	P	公共接地参考，连接到 IGBT 发射极或 SiC-MOSFET 源极
OUTH	4	O	栅极驱动器输出上拉
VDD	5	P	栅极驱动电压正电源轨，需连接 >10μF 电容到 COM
CLMPI	7	I	内部有源米勒钳位，连接到功率晶体管栅极
VEE	8	P	栅极驱动电压负电源轨，需连接 >10μF 电容到 COM
GND	9	P	输入电源和逻辑接地参考
IN+	10	I	非反相栅极驱动器控制输入
IN–	11	I	反相栅极驱动器控制输入
RDY	12	O	电源正常指示，开漏输出
FLT	13	O	过流或短路故障报警输出，开漏输出
RST/EN	14	I	用于启用/关闭输出侧和复位故障状态
VCC	15	P	输入电源，范围 3V 至 5.5V，需连接 >1μF 电容到 GND
APWM	16	O	隔离式模拟传感 PWM 输出

3. 关键参数一览

3.1 绝对最大额定值

在使用 UCC21710-Q1 时，必须确保各项参数在绝对最大额定值范围内，否则可能导致器件永久性损坏。例如，VCC-GND 电压范围为 -0.3V 至 6V，VDD-COM 电压范围为 -0.3V 至 36V 等。

3.2 ESD 额定值

该器件的 ESD 额定值为人体模型（HBM）±4000V，带电设备模型（CDM）±1500V，表明其具备一定的静电防护能力，但在使用过程中仍需注意静电防护措施，避免因静电损坏器件。

3.3 推荐工作条件

为保证器件的正常工作和性能稳定，建议在推荐工作条件下使用。例如，VCC-GND 电压范围为 3.0V 至 5.5V，VDD-COM 电压范围为 13V 至 33V 等。

3.4 热信息

了解器件的热信息对于系统散热设计至关重要。UCC21710-Q1 的结到外壳热阻为 27.5°C/W，结到电路板热阻为 32.9°C/W，最大功耗为 985mW。在设计散热方案时，需根据实际应用场景和环境温度，合理选择散热方式和散热器件。

3.5 绝缘规格

该器件具有良好的绝缘性能，外部爬电距离和电气间隙均大于 8mm，内部绝缘距离大于 17μm，比较跟踪指数（CTI）大于 600V。同时，它还通过了多项安全认证，如 DIN EN IEC 60747-17（VDE 0884-17）和 UL 1577 等，为系统的安全运行提供了保障。

4. 功能特性详解

4.1 电源供应

输入侧电源 VCC 支持 3V 至 5.5V 的宽电压范围，输出侧支持单极性和双极性电源，电压范围从 13V 到 33V。采用负电源可避免功率器件在开关过程中误开启，特别是对于 SiC MOSFET 这种高速开关器件，负电源的作用更为明显。

4.2 驱动级

UCC21710-Q1 的驱动级具有 ±10A 的峰值驱动强度，能够直接驱动 SiC MOSFET 模块、IGBT 模块或并联的分立器件，无需额外的缓冲级。在输入引脚浮空时，OUTH/OUTL 保持低电平，确保了系统的安全性。其采用混合上拉结构，结合 P 沟道 MOSFET 和 N 沟道 MOSFET，可提供强大的驱动能力，缩短功率器件的开关时间，降低开关损耗。

4.3 欠压锁定（UVLO）

VCC 和 VDD 均具备欠压锁定功能，当电源电压低于阈值时，驱动器输出保持为低电平，避免功率器件在低电压下工作，从而降低导通损耗，提高系统效率。该功能具有迟滞和消抖滤波器，可有效提高电源的抗噪性能。

4.4 有源下拉

当 VDD 断开时，有源下拉功能可将 OUTH/OUTL 引脚钳位到 VEE，防止输出在器件恢复控制前误开启，增强了系统的稳定性。

4.5 短路钳位

在短路情况下，UCC21710-Q1 的短路钳位功能可将 OUTH/OUTL 引脚电压钳位到略高于 VDD 的水平，保护功率器件免受栅源或栅射极过压击穿的影响。

4.6 内部有源米勒钳位

在驱动器处于关断状态时，有源米勒钳位功能可防止功率器件因米勒效应而误开启。当栅极电压低于 (V_{CLMPTH})（比 VEE 高 2V）时，内部 MOSFET 被触发，提供低阻抗路径，避免误开启问题。

4.7 过流和短路保护

该器件具有快速的过流和短路保护功能，OC 引脚的典型阈值为 0.7V。当检测到过流或短路故障时，会触发软关断功能，将故障信号报告给 DSP/MCU，并通过 RST/EN 引脚进行复位。此功能可采用 SenseFET、传统去饱和电路或分流电阻等多种检测方式，适用于不同类型的功率模块。

4.8 软关断

在过流和短路保护触发时，UCC21710-Q1 会启动软关断功能，通过控制栅极电压，使沟道电流以柔和的方式减小，从而限制功率器件的过冲电压，防止过压击穿。

4.9 故障报告与复位

FLT 引脚为开漏输出，可在检测到故障时向 DSP/MCU 报告故障信号。RST/EN 引脚具有复位和启用/关闭器件的功能，在故障发生后，需通过该引脚进行复位操作。

4.10 隔离式模拟到 PWM 信号功能

该功能可实现隔离式温度传感、高压直流母线电压传感等。通过内部电流源对外部热敏二极管或温度传感电阻进行偏置，将 AIN 引脚的电压信号编码为 PWM 信号，经过隔离屏障传输到输入侧的 APWM 引脚。PWM 信号可直接传输到 DSP/MCU 进行占空比计算，也可通过简单 RC 滤波器转换为模拟信号。

5. 应用范围与实例

5.1 应用范围

UCC21710-Q1 凭借其强大的驱动能力、宽范围的输出电源、高隔离等级、高 CMTI 和卓越的保护与传感特性，适用于多种应用场景，包括电动汽车牵引逆变器、车载充电器和充电桩、DC/DC 转换器、太阳能逆变器等。它能够直接驱动高功率 SiC MOSFET 模块、IGBT 模块或并联的分立器件，无需外部缓冲驱动电路，节省了电路板设计的成本和空间。

5.2 典型应用 - 半桥电路

以半桥电路为例，两个 UCC21710-Q1 隔离式栅极驱动器可用于将电动汽车电池的直流电流转换为交流电流，驱动推进系统中的电动机。在设计半桥电路时，需要考虑以下几个方面：

• 输入滤波器设计：在牵引逆变器或电机驱动应用中，功率半导体处于硬开关模式，dV/dt 较高，容易引入噪声。UCC21710-Q1 内部集成 40ns 消抖滤波器，可过滤输入信号中的短脉冲干扰。对于噪声较大的系统，可在输入引脚外部添加低通滤波器，以提高抗噪性能和信号完整性。
• PWM 互锁功能：IN+ 和 IN- 引脚的 PWM 互锁功能可防止相臂直通问题。在半桥电路中，将上侧开关的 PWM 信号输入到 IN+ 引脚，下侧开关的 PWM 信号输入到 IN- 引脚，当两个 PWM 信号同时为高电平时，驱动器输出为低电平，避免直通现象发生。
• 引脚电路设计：FLT、RDY 和 RST/EN 引脚均为开漏输出，可通过上拉电阻连接到电源。为提高抗噪性能，可在这些引脚与微控制器之间添加低通滤波器。RST/EN 引脚具有复位和启用/关闭驱动器的功能，在故障发生后，需通过该引脚进行复位操作，可采用自动复位或手动复位方式。
• 栅极电阻选择：UCC21710-Q1 的 OUTH 和 OUTL 引脚为分离输出，可独立控制开通和关断速度。在选择栅极电阻时，需要综合考虑峰值源电流和灌电流、开关损耗以及功率器件的热限制。合理选择栅极电阻可控制开关速度，降低开关损耗和过冲电压。
• 过流和短路保护：采用 SenseFET、传统去饱和电路或分流电阻等方式实现过流和短路保护。不同的保护方式具有不同的优缺点，需要根据具体应用场景进行选择。例如，基于 SenseFET 的保护方式精度高、抗噪性能好，但仅适用于集成 SenseFET 的功率模块；基于去饱和电路的保护方式简单易行，但精度相对较低；基于分流电阻的保护方式适用于低功率应用，但在高功率应用中可能会引入较大的功率损耗。
• 隔离式模拟信号传感：可用于温度监测和直流母线电压传感。通过连接热敏二极管或温度传感电阻到 AIN 引脚，将温度信号转换为电压信号，再通过隔离式模拟到 PWM 信号功能，将电压信号转换为 PWM 信号，传输到微控制器进行处理。在进行直流母线电压传感时，需要通过电阻分压器将高压信号转换为 AIN 引脚可测量的电压范围，并考虑内部电流源的影响。
• 外部电流缓冲器：当需要更高的输出电流时，可使用非反相电流缓冲器，如 NPN/PNP 缓冲器。在使用外部缓冲器时，需要添加外部组件来实现软关断功能，确保在过流检测时能够按照设定的时间和电流进行软关断操作。

6. 设计建议与注意事项

6.1 电源供应

为稳定电源供应，建议在 VDD 和 COM、VEE 和 COM 之间连接 10μF 旁路电容，在 VCC 和 GND 之间连接 1μF 旁路电容，并为每个电源添加 0.1μF 去耦电容，以过滤高频噪声。这些电容应选用低 ESR 和 ESL 的产品，并尽量靠近 VCC、VDD 和 VEE 引脚放置，以防止 PCB 布局中的系统寄生噪声耦合。

6.2 PCB 布局

在 PCB 设计中，需要注意以下几点：

• 将驱动器尽可能靠近功率半导体放置，以减少栅极回路在 PCB 迹线上的寄生电感。
• 输入和输出电源的去耦电容应尽量靠近电源引脚放置，以降低开关瞬变时产生的 dI/dt 和电压尖峰。
• 将驱动器的 COM 引脚连接到 SiC MOSFET 源极或 IGBT 发射极的 Kelvin 连接点，以分离栅极回路和高功率开关回路。
• 在输入侧使用接地平面屏蔽输入信号，防止输出侧开关瞬变产生的高频噪声干扰输入信号。
• 对于低侧开关，可在输出侧使用接地平面屏蔽输出信号；对于高侧开关，不建议使用接地平面。
• 若输出侧不使用接地平面，应将 OC 和 AIN 接地回路的返回路径与具有大峰值源电流和灌电流的栅极回路接地分离。
• 避免在栅极驱动器下方存在 PCB 走线或铜箔，建议采用 PCB 切口来避免输入和输出侧之间的噪声耦合，保护隔离屏障。

7. 总结

UCC21710-Q1 隔离式单通道栅极驱动器以其卓越的性能、丰富的功能和可靠的保护特性，为 SiC MOSFET 和 IGBT 的驱动提供了理想的解决方案。无论是在电动汽车、太阳能逆变器还是其他功率电子应用中，它都能发挥重要作用，提高系统的效率和可靠性。在使用过程中，我们需要根据具体应用需求，合理选择参数和设计电路，同时注意电源供应和 PCB 布局，以充分发挥该器件的优势。大家在实际设计中是否遇到过类似器件的应用难题呢？欢迎在评论区交流分享。