UCC21220和UCC21220A隔离式栅极驱动器：特性、应用与设计要点

在电力电子领域，栅极驱动器对于功率晶体管的高效、可靠开关至关重要。德州仪器（TI）的UCC21220和UCC21220A是两款功能强大的双路隔离式栅极驱动器，具备诸多优秀特性，适用于多种应用场景。今天，我们就来深入了解一下这两款驱动器。

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一、产品概述

UCC21220和UCC21220A是基本和功能性隔离的双路栅极驱动器，具有4A峰值源电流和6A峰值灌电流。它们专为驱动功率MOSFET和GaNFET而设计，可应用于PFC、隔离式DC/DC和同步整流等场景，拥有快速的开关性能和强大的共模瞬态抗扰度（CMTI），能有效抵御大于125V/ns的共模干扰。

这两款驱动器具有高度的灵活性，可配置为两个低侧驱动器、两个高侧驱动器或半桥驱动器。此外，两个输出还可以并联，以在重载条件下提供双倍的驱动强度。

二、特性亮点

2.1 通用配置

支持双低侧、双高侧或半桥驱动模式，能满足不同的电路拓扑需求，为工程师提供了更多的设计选择。

2.2 隔离性能

支持基本和功能性隔离，可有效防止电气干扰，提高系统的稳定性和可靠性。其绝缘规格表现出色，如外部爬电距离和电气间隙均大于4mm，内部绝缘距离大于17µm，比较跟踪指数（CTI）大于400V等。

2.3 高CMTI

CMTI大于125V/ns，这使得驱动器在高噪声环境下仍能稳定工作，有效避免因共模瞬态干扰而导致的误触发。

2.4 强大的输出能力

高达4A峰值源电流和6A峰值灌电流，能够快速地对功率晶体管的栅极电容进行充放电，实现快速的开关动作，降低开关损耗。

2.5 快速的开关参数

典型传播延迟仅33ns，最大脉冲宽度失真为5ns，最大VDD上电延迟为10µs，确保了信号的快速准确传输，提高了系统的响应速度。

2.6 宽电压范围

输出驱动电源VDD最高可达25V，并且提供5V和8V的VDD欠压锁定（UVLO）选项，可根据不同的应用需求进行选择。

2.7 宽温度范围

结温范围（Tj）为 -40°C至150°C，适用于各种恶劣的工业环境。

2.8 安全认证

计划获得多项安全相关认证，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的4242VPK隔离、符合UL 1577的3000VRMS一分钟隔离以及符合GB4943.1 - 2022的CQC认证，为产品的安全性提供了有力保障。

三、应用领域

3.1 服务器电源

在服务器电源中，UCC21220和UCC21220A可用于PFC和隔离式DC/DC转换，提高电源的效率和功率密度，确保服务器的稳定运行。

3.2 太阳能逆变器和功率优化器

在太阳能发电系统中，驱动器能够快速准确地驱动功率晶体管，实现高效的能量转换和最大功率点跟踪，提高太阳能的利用率。

3.3 电信砖式转换器

为电信设备提供稳定可靠的电源转换，满足电信设备对电源的高要求。

3.4 无线基础设施

在无线基站等设备中，驱动器可用于功率放大和电源管理，确保无线信号的稳定传输。

3.5 工业运输和机器人

适用于工业运输车辆的电机驱动和机器人的动力系统，提供高效、可靠的驱动能力。

四、详细描述

4.1 功能框图

UCC21220和UCC21220A的功能框图展示了其内部结构，包括输入逻辑、隔离模块、驱动器等部分。输入侧和输出侧通过隔离模块实现电气隔离，确保了信号的可靠传输。

4.2 特性描述

4.2.1 VDD和VCCI的UVLO保护

驱动器在VDD和VCCI电源电路中均具有内部欠压锁定（UVLO）保护功能。当VDD偏置电压低于启动阈值或启动后低于关断阈值时，UVLO功能会将输出拉低，无论输入引脚的状态如何。同时，输入侧的UVLO保护也能确保在VCCI电压不足时，驱动器不工作，避免异常情况的发生。

4.2.2 输入和输出逻辑

输入引脚（INA、INB和DIS）采用TTL和CMOS兼容的输入阈值逻辑，与数字和模拟电源控制器都能方便地接口。DIS引脚用于禁用或启用驱动器输出，当该引脚置高或悬空时，两个输出同时关闭；置低时，驱动器正常工作。

4.2.3 输入级

输入引脚具有典型的高阈值2V和低阈值1V，且阈值随温度变化较小，宽滞回（1V）特性提供了良好的抗噪能力和稳定的操作。如果输入引脚悬空，内部下拉电阻会将引脚拉低，但为了获得更好的抗噪性能，建议将未使用的输入引脚接地。

4.2.4 输出级

输出级采用了独特的上拉和下拉结构，能够在功率开关的米勒平台区域提供高峰值源电流，实现快速的导通。两个输出均可提供4A峰值源电流和6A峰值灌电流脉冲，输出电压在VDD和VSS之间摆动，实现轨到轨操作。

4.3 设备功能模式

4.3.1 禁用引脚

DIS引脚置高或悬空时，会同时关闭两个输出；接地时，驱动器正常工作。该引脚响应迅速，在VCCI高于UVLO阈值时有效。为了获得更好的抗噪性能，建议将该引脚接地，并在连接到微控制器时，使用一个约1nF的低ESR/ESL电容进行旁路。

五、应用与设计

5.1 典型应用

以UCC21220或UCC21220A驱动650 - V MOSFET的半桥配置为例，展示了其在实际应用中的电路连接和设计要求。

5.2 详细设计步骤

5.2.1 设计INA/INB输入滤波器

为了滤除由不理想的布局或长PCB走线引入的振铃，可以使用一个小的输入RIN - CIN滤波器。RIN取值范围为0Ω至100Ω，CIN取值范围为10pF至100pF，在选择这些组件时，需要权衡良好的抗噪性能和传播延迟。

5.2.2 选择外部自举二极管及其串联电阻

自举电容在低侧晶体管导通时通过外部自举二极管由VDD充电，因此应选择高压、快速恢复二极管或具有低正向压降和低结电容的SiC肖特基二极管，以减少反向恢复损耗和接地噪声反弹。同时，使用自举电阻RBOOT来减少D BOOT中的浪涌电流，并限制VDDA电压的上升斜率。

5.2.3 选择栅极驱动器输出电阻

外部栅极驱动器电阻RON和ROFF用于限制寄生电感/电容引起的振铃、高压/电流开关dv/dt和体二极管反向恢复引起的振铃、微调栅极驱动强度以及减少电磁干扰（EMI）。通过计算可以预测峰值源电流和峰值灌电流，但实际值还会受到PCB布局和负载电容的影响。

5.2.4 估算栅极驱动器功率损耗

栅极驱动器子系统的总损耗PG包括UCC21220和UCC21220A的功率损耗PGD以及外围电路的功率损耗。PGD可以通过计算静态功率损耗PGDQ和开关操作损耗PGDO来估算，具体计算方法根据不同的情况有所不同。

5.2.5 估算结温

结温（TJ）可以通过公式TJ = TC + ΨJT × PGD估算，其中TC是器件的外壳温度，ΨJT是结到顶部的特性参数。

5.2.6 选择电容

包括选择自举电容CBOOT、VDDB电容等，以满足电路的电流需求和瞬态性能要求。

5.2.7 输出级负偏置应用电路

当PCB布局不理想或封装引脚较长时，功率晶体管的栅源驱动电压可能会出现振铃，施加负偏置是一种常见的解决方法。文中介绍了几种实现负栅极驱动偏置的示例电路。

5.3 应用曲线

通过实际的测试波形，展示了在特定条件下（VCC = 5.0V、VDD = 12V、fSW = 100kHz、VDC - Link = 400V），INA/INB和OUTA/B的信号波形，以及功率晶体管的栅源信号波形，为工程师提供了直观的参考。

六、电源和布局建议

6.1 电源建议

推荐的输入电源电压（VCCI）范围为3V至5.5V，输出偏置电源电压（VDDA/VDDB）范围为9.2V至25V。在VDD和VSS引脚之间以及VCCI和GND引脚之间应放置旁路电容，以提供稳定的电源。

6.2 布局指南

6.2.1 组件放置

低ESR和低ESL电容应靠近器件连接在VCCI和GND引脚以及VDD和VSS引脚之间，以支持外部功率晶体管导通时的高峰值电流。同时，应尽量减小顶部晶体管源极和底部晶体管源极之间的寄生电感，避免开关节点VSSA（HS）引脚出现大的负瞬变。

6.2.2 接地

应将充电和放电晶体管栅极的高峰值电流限制在最小的物理区域内，以降低环路电感并最小化晶体管栅极端子上的噪声。栅极驱动器应尽可能靠近晶体管放置。

6.2.3 高压考虑

为了确保初级和次级侧之间的隔离性能，应避免在驱动器器件下方放置任何PCB走线或铜箔，建议使用PCB切口来防止可能影响隔离性能的污染。对于半桥或高侧/低侧配置，应尽量增加高低侧PCB走线之间的电气间隙。

6.2.4 热考虑

当驱动电压高、负载重或开关频率高时，UCC21220和UCC21220A可能会消耗大量功率。合理的PCB布局可以帮助将热量从器件散发到PCB上，最小化结到板的热阻。建议增加连接到VDDA、VDDB、VSSA和VSSB引脚的PCB铜面积，优先考虑最大化与VSSA和VSSB的连接。

七、总结

UCC21220和UCC21220A隔离式栅极驱动器凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和详细的设计指导，为工程师在功率电子设计中提供了一个强大而可靠的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和电路条件，合理选择和设计相关组件，同时注意电源和布局的优化，以充分发挥驱动器的性能，实现高效、稳定的功率转换系统。

你在使用UCC21220和UCC21220A时遇到过哪些问题呢？或者你对这两款驱动器还有其他的疑问吗？欢迎在评论区留言讨论。