5 隔離式柵極驅動器

TI 柵極驅動器具有高達 5.7kVRMS 的隔離能力，有助于防止電擊，同時提供更高的工作電壓以及更寬的爬電距離和間隙，從而提高系統(tǒng)可靠性。主要提供兩個隔離式柵極驅動器系列：

• 保護柵極驅動器 UCC2182xx-Q1
• 可編程柵極驅動器 UCC5881-Q1

UCC2182xx-Q1 是一款隔離式柵極驅動器，具有主動保護和高級安全特性，例如多種 UVLO 選項（12V、15V 和 17V），并具有增強型隔離、去飽和 (DESAT) 和過流 (OC) 保護以及過熱保護。與傳統(tǒng)器件相比，灌電流和拉電流增加到 15A，而 20-DFP 封裝可將占用空間減小 45%。該器件具有軟關斷引腳，可用于在關斷期間微調電流，支持初級和次級主動短路 (ASC) 保護，并在啟動時進行內置自檢，以檢查診斷功能中的比較器。

可編程柵極驅動器 UCC5881-Q1 因其可編程寄存器而得名，后者可設置為根據(jù)器件數(shù)據(jù)表修改不同參數(shù)，例如 UVLO 或 DESAT。這些寄存器可通過 SPI 來尋址。在 TI 的新一代可編程柵極驅動器中，用戶還可以改變柵極驅動強度。在驅動功率級的柵極時，強驅動信號可降低開關損耗，因為強信號可縮短開關在壓降條件下導通電流的時間。同時，強驅動信號會產生可能接近漏源電壓限值的較大過沖，這可能會損壞開關，尤其是在充滿電的電池組（余量最?。l件下。弱驅動信號會降低過沖并提高運行安全性，但由于壓擺率降低，開關損耗就會升高。請參閱圖 5-1。

圖 5-1 弱柵極驅動與強柵極驅動以及對損耗和過沖的影響

可編程柵極驅動器（例如 UCC5881-Q1）可以利用弱驅動信號和強驅動信號來產生組合驅動。驅動電流與開關節(jié)點的電壓上升時間成反比，因此強驅動電流會增加開關節(jié)點電壓的斜率。當電流達到直流鏈路（目標）電壓時，開關節(jié)點電壓會在短時間內繼續(xù)上升，然后再回降至直流鏈路（目標）電壓。這種額外上升稱為過沖。驅動電流越強，斜率就越高，因此電壓電平可以輕松達到漏源電壓限值。

可編程柵極驅動的強度（可以通過 SPI 或 GPIO 隨時設置確切的運行模式）會采用強驅動工作模式，直到輸出電流達到特定值，此時驅動會切換至弱柵極驅動模式。這種組合驅動可降低過沖損壞開關的風險（與僅強柵極驅動相比），同時能夠顯著降低功率損耗（與僅弱柵極驅動相比）。請參閱圖 5-2。

圖 5-2 可編程柵極驅動器的組合驅動輸出

根據(jù) CLTC 驅動循環(huán)，使用可變強度驅動來降低功率損耗可帶來：

• 逆變器效率提高 2% 以上
• 電池成本節(jié)省 140 美元
• 續(xù)航里程增加 15.5km
• 重量減輕 9kg
• 電池體積減少 7.5l（物理尺寸）

圖 5-3 顯示了可編程柵極驅動的強度特性在實際應用中的實現(xiàn)。當使用強柵極驅動 (20A) 使關斷瞬態(tài)電壓（黃色曲線）在 ILOAD = 300A 條件下接近 1080V VDS 過沖限制時，GPIO 驅動的信號強度變化（綠色曲線）將開啟弱驅動模式 (5A)，瞬變電壓將在下一個開關周期降至 991V。

圖 5-3 可編程驅動強度應用示例

UCC5881-Q1 驅動器系列包括以下額外功能：

• 初級側和次級側 ASC 保護，可提高系統(tǒng)設計靈活性
• 具有雙路輸出的分離式輸出驅動器，支持可調節(jié)柵極驅動（±15A 和 ±5A 驅動電流），集成 4A 有源米勒鉗位功能，也可選配外部驅動用于米勒鉗位晶體管
• 互鎖和擊穿保護以及可編程最小脈沖抑制
• 內部和外部電源欠壓和過壓保護
• 集成的診斷功能支持高達 ASIL D 等級的 ISO26262 功能安全要求，例如運行狀況監(jiān)控（在系統(tǒng)的生命周期內執(zhí)行閾值電壓測量）和故障預測（向 MCU 提供電源開關數(shù)據(jù)以預測故障）
• 基于分流電阻器的過流保護
• 過熱（PTC、NTC 或二極管）和 DESAT 檢測
• 工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C

UCC5880-Q1 逆變器評估模塊 (EVM) 既可通過焊接在電路板上的 100nF 電容器負載，獨立用于測試柵極驅動器，也可基于 Wolfspeed? XM3 SiC MOSFET 用于直接驅動半橋功率模塊，以進行高功率測試。請參閱圖 5-4。

該板上包含兩個 UCC14241-Q1 隔離式偏置電源。該 EVM 支持靈活配置不同的 SPI 通信方法，包括常規(guī) SPI、菊花鏈和基于 TI 地址。該 EVM 可與 Sitara? 和 C2000? 實時微控制器控制卡連接，用于高達 300kW 的三相逆變器測試。

圖 5-4 UCC5880-Q1 用于牽引逆變器中可變隔離式柵極驅動的評估模塊