德州仪器UCC217XX系列评估模块：SiC与IGBT驱动及保护解决方案

在电力电子领域，SiC MOSFET和Si IGBT功率模块正发挥着越来越重要的作用。德州仪器（TI）的UCC217XXQDWEVM - 025评估模块（EVM），为这些功率模块和晶体管提供了强大的驱动和保护功能。下面，我们就来深入了解一下这个评估模块。

文件下载：UCC21732QDWEVM-025.pdf

一、UCC21732QDWEVM - 025评估模块概述

1.1 模块特点

UCC21732QDWEVM - 025是一款紧凑的单通道隔离栅极驱动板，尺寸为62 x 48 x 6.6 mm。它具有以下显著特点：

• 高速驱动能力：拥有10 - A峰值分流灌/源驱动电流，可实现快速的导通和关断时间。
• 偏置电源保护：2 - W偏置电源具备欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）保护，默认设置为4.5 V至5.5 V。
• 灵活的驱动电压：默认驱动电压为17 / - 5 V，使用单个5 - V输入电源；也可通过两个3.3 V至5.5 V的输入电源，将导通电压独立编程为11 V至19 V，关断电压编程为 - 3.3 V至 - 6 V。
• 抗干扰设计：共模瞬态抗扰度（CMTI） > 150 V / ns，具备良好的抗噪声能力。
• 高隔离性能：提供5.7 - kVrms强化隔离。
• 短路保护功能：采用OC短路分流电阻传感，具备两级（UCC21732）或单级（UCC21710）软关断保护；UCC21750具备去饱和（Desat）短路传感功能。
• 其他保护特性：包括有源米勒钳位、输出短路钳位、故障反馈与复位，以及隔离温度和输入轨监测功能。

1.2 应用领域

该评估模块适用于多种应用场景，如太阳能逆变器、电机驱动器、HEV/EV充电器和HEV/EV牵引逆变器等。

1.3 模块详细描述

1.3.1 电气规格

模块的电气参数涵盖了电源电压和电流、驱动电流和功率、输入/输出信号、时序参数、短路保护、隔离性能、工作环境温度和尺寸等方面。具体参数可参考文档中的表格1，这里就不一一列举了。大家在设计时，一定要根据实际需求仔细核对这些参数，确保满足系统要求。

1.3.2 模块框图

模块的核心是隔离驱动设备UCC217XX，它为IGBT和SiC功率器件提供了最佳的驱动保护和诊断功能。隔离驱动和控制电压由推挽变压器驱动器SN6505B提供，通过5 - V电源供电。模块还具备温度或输入电压总线监测功能，以及板级逻辑块，用于在两个EVM共同驱动半桥功率级配置中的FET时提供诊断和重叠保护。输入和输出信号及电压通过微型2 x 10连接器提供，同时还包含众多测试点和2 x 6插头，方便在评估过程中访问关键信号。

1.3.3 隔离栅极驱动家族UCC217XX

UCC217XX系列隔离驱动器采用SOIC - 16 DW封装，具有8.0 - mm爬电距离和间隙，提供5.7 - kVrms强化隔离。该系列包括UCC21710、UCC21732、UCC21750和UCC21736等成员，它们在AIN - APWM、±峰值IO、OC/DESAT、米勒钳位、故障关断和输出等方面存在差异。这个系列具有短而准确的90 - ns传播延迟，能实现对功率器件的精确控制。大家在选择具体型号时，要根据实际应用场景和需求来综合考虑。

1.3.4 采用SN6505B的分流轨偏置电源

分流轨偏置电源使用两个工作在424kHz的推挽变压器驱动器SN6505B，生成17 V导通电压和 - 5 V关断电压。SN6505B通过Vcc端子从2.25至5.5V的外部电源供电，输入电压由UVLO电路控制，内部振荡器频率范围为363 kHz至517 kHz，可通过外部逻辑电平时钟信号同步。该器件采用扩频时钟技术以减少电磁干扰（EMI），输出级包括1A推挽开关，具备电流限制和热关断保护功能。

1.3.5 输入诊断、保护和逻辑块

该逻辑块主要有三个功能：

• 二次侧驱动电压保护：通过一次侧传感为二次侧驱动电压提供额外的UVLO和OVLO保护，基于窗口比较器TPS3700实现。
• 半桥功率模块重叠保护：为驱动半桥功率模块的两个电路板提供可选的重叠保护，使用CMOS逻辑与门SN74AHC1G08QDBVRQ1实现。
• 隔离滤波信号提供：使用来自温度或输入轨监测电路的APWM输出，通过AIN输入提供隔离滤波信号。

1.3.6 输出保护和诊断

该模块的输出保护和诊断功能包括：

• 短路条件判断：使用OC分流电阻传感（UCC21732或UCC21710）或DESAT检测（UCC21750）来确定短路条件。
• 模拟隔离传感：使用AIN输入进行模拟隔离传感APWM信号，可用于模块内热敏电阻的温度监测或输入轨传感。
• 外部有源米勒钳位电路：包含外部有源米勒钳位电路。对于UCC21736 - Q1，AIN被ASC功能取代，ASC用于三相电机驱动应用中重定向短路电流，避免电池输入过压。

二、快速初始评估

2.1 所需设备

进行快速初始评估需要以下设备：

• 电源：至少两个6 - V、1 - A的电源，如BK Precision系列1715。
• 函数发生器及配件：一个2通道函数发生器，如Tektronix AFG3102；两根标准50 - Ω BNC同轴电缆；两个50 - Ω BNC公对母直通终端，如Tektronix 011 - 0049 - 02。
• 示波器及配件：一台500 - MHz或更高带宽、至少4通道的示波器，如Tektronix DPO7104；至少4根500 - MHz带宽的无源电压探头，如P6139A。
• 数字万用表：4个数字万用表，如Fluke 187。
• 其他：各种长度的连接电线，带有Pomona夹子和连接器。

2.2 测试设置和程序

2.2.1 上电和偏置电源电压测试

测试设置如图6所示，需将TP15连接到TP21。使用数字万用表进行测量，MM2、MM3、MM4设置为直流电压测量，自动量程；MM1设置为直流电流测量，预期范围高达500 mA。测试程序包括逐渐增加电源电压，监测电压和电流，确保其符合表3中的规定；然后逐渐降低电压至0 V并关闭电源。

2.2.2 输入和输出开关波形测试

测试设置如图8所示，EVM默认包含10 - nF负载电容C26。函数发生器和示波器的设置分别参考表4和表5。测试程序包括逐渐增加电源电压至4.95 V至5.05 V范围，监测电流不超过75 mA；启用函数发生器通道A，监测电流不超过90 mA；比较波形与图9中的典型截图；最后关闭函数发生器通道，逐渐降低电源电压至0 V并关闭电源。

2.2.3 过流和短路软关断测试

测试设置如图10所示，对于UCC21750，无需连接函数发生器的通道B。函数发生器和示波器的设置分别参考表6、表7和表8。测试程序包括逐渐增加电源电压至4.95 V至5.05 V范围，监测电流不超过60 - 75 mA；启用函数发生器的通道A和通道B；LED D10应熄灭表示故障；比较波形与典型截图；最后关闭函数发生器通道，逐渐降低电源电压至0 V并关闭电源。

2.2.4 隔离模拟输入和输出测试

测试设置如图15所示，需将TP15连接到TP21。测试程序包括逐渐增加电源PS1的电压至4.95 V至5.05 V范围，监测电流不超过75 mA；启用电源PS2，逐渐增加其电压至4.5 V，监测万用表MM3和MM2的电压变化；然后逐渐降低PS2和PS1的电压至0 V并关闭电源。

三、使用功率模块进行高级评估

3.1 EVM默认设置和建议

该模块的大多数驱动、保护和诊断功能集成在TI IC中，可设置为UCC21710、UCC21732或UCC21750。默认设置包括移除R9以禁用去饱和保护功能，允许UCC21710和UCC21732提供OC保护；移除R21以禁用内部米勒钳位，允许UCC21732使用外部FET米勒钳位等。此外，还可以根据需要进行温度监测、输入电压轨监测、OC信号传感等设置。在使用UCC21736时，需要手动更换IC，并进行相应的配置调整。在使用两个EVM驱动标准半桥功率模块时，需要注意不同模块配置下的连接方式和重叠保护电路的使用。

3.2 PCB板设计

EVM采用4层PCB板，通过内部层的接地平面来减少EMI。各层的布局如图23至图26所示。这种设计能够有效降低电磁干扰，提高模块的稳定性和可靠性。

3.3 材料清单

文档中提供了UCC21732QDWEVM - 025的详细材料清单，包括印刷电路板、电容、电阻、二极管、晶体管、变压器等各种元件的型号和制造商。大家在进行设计和采购时，可以参考这个清单，确保选用合适的元件。

德州仪器的UCC217XXQDWEVM - 025评估模块为SiC和IGBT功率模块及晶体管提供了全面的驱动和保护解决方案。通过快速初始评估和高级评估，我们可以深入了解模块的性能和特点，为实际应用提供有力的支持。在使用过程中，一定要严格按照文档中的要求进行操作，确保测试和应用的安全性和准确性。希望这篇文章能对大家在相关领域的设计和开发有所帮助，大家在实际应用中遇到什么问题，欢迎一起交流探讨。