功率器件栅极驱动器要求

    

   图 1 显示了电动汽车牵引逆变器的简化框图。该图中的红色方块代表栅极驱动器及其驱动的相关功率级。该应用中栅极驱动器的一些关键功能包括：

    提供隔离。在 HV 侧，栅极驱动器可能会驱动参考 800V 直流总线电压的SiC器件。另一方面，由 PWM 控制器驱动的低压 (LV) 侧可能处于逻辑 5V 电平（参见图 2）。

    UCC5880-Q1 的简化原理图显示了初级侧（左）和次级侧（右）之间的隔离。
    图 2：UCC5880-Q1 的简化原理图，显示初级侧（左）和次级侧（右）之间的隔离（德州仪器）
    因此，驱动器芯片需要隔离这两个域，确保低压电路不受高压影响，并为人员提供安全保障，例如服务或诊断驱动 PWM 信号的控制器芯片。开关期间的电压瞬变可能会在接地环路中产生高电流，并且接地环路的正确分离对于避免高压开关在低压域中产生接地电位差至关重要。因此，抗噪性是隔离的一个关键方面。存在多个行业标准来定义绝缘规格，包括：    
    DIN VDE 0884-11 与加强绝缘相关。这有助于设置瞬态隔离电压 (V IOTM )、工作电压 (V IORM ) 和浪涌隔离电压 (V IOSM ) 等规格。例如，在 800V 电动汽车逆变器应用中，连续工作电压需要在该 800V 电平之上有足够的余量，所需的峰值（瞬态）额定值是该值的几倍。UCC5880-Q1 部件计划获得7,070 V 的V IOTM和 V IOSM。
    UL 1577 定义了耐受隔离电压 (V IOS ) 以及势垒电容 (C IO )。UCC5880-Q1 计划获得 5 kV RMS 隔离。DIN EN IEC 60112 定义了绝缘材料的相对漏电起痕指数。这与封装爬电距离和间隙规格一起有助于确保封装具有强大的绝缘特性。
    IEC 60747-17 定义了共模瞬态抗扰度 (CMTI) 测试方法。CMTI 定义了两个电路之间施加的共模电压的上升或下降速率，在隔离栅极驱动器的情况下，这两个电路将是 LV 和 HV 侧。与硅功率器件相比，SiC 或GaN功率器件可实现更快的开关频率和转换速率。这可以减少开关损耗并减小磁性元件的尺寸，但会使电路更容易受到电磁干扰。UCC5880-Q1 部件的 CMTI 额定值为 100 kV/us。
    功能安全和监控。栅极驱动器提供功率器件的实时监控功能。这确保了安全、可靠的运行，并有助于防止电源模块内发生灾难性故障。这可以帮助整个系统设计达到 ISO 26262 和 ASIL-D 质量规范。其中一些功能包括：
    欠压锁定 (UVLO) 和过压锁定 (OVLO)。UVLO 监控对于 SiC 功率 MOSFET 至关重要，因为栅极电压下降会导致更高的损耗和发热。OVLO 条件会影响栅极氧化物的可靠性。UCC5880-Q1 检查内部和外部电源上的 UVLO 和 OVLO。负载故障导致的短路或过流情况可能会导致功率器件进入高漏极电压和电流模式，从而导致发热并可能导致灾难性故障。当 V DS /V CE下降时，去饱和（或去饱和）引脚和随附的外部电路检测到故障当功率 FET 导通时，功率器件的电压超过 SPI 可编程阈值。UCC5880-Q1 具有针对功率器件的去饱和和基于分流电阻器的过流保护功能，并且对过流事件具有快速响应时间。此外，外部负温度系数温度传感器可用于向主机发出过热情况警报。可编程软关断 (STO) 和两级关断 (2LTOFF) 有助于防止功率晶体管过压损坏由于寄生电感的高 di/dt 转换导致电压尖峰。减慢 di/dt（尤其是在故障情况下）可以提高系统可靠性。UCC5880-Q1 具有可编程 STO 和 2LTOFF 设??置。
    UCC5880-Q1 上的集成 10 位 ADC 可用于监控其他几个系统功能，例如直流母线电压和功率器件的阈值电压。

    提高系统效率。事实证明，用 SiC 功率器件替代硅 IGBT 可以将牵引逆变器效率提高高达 10%。提高行驶里程和缩短充电时间的需求是进一步提高效率的动力。开关损耗通常与开启和关闭转换期间允许的电压和电流过冲进行权衡。例如，SiC MOSFET 输入端较高的栅极电阻会减慢转换和过冲，但代价是开关损耗更大。让我们考虑一下充电周期后锂离子电池组在负载下的典型充电状态 (SoC) 曲线。如图 3 所示，与稳定或部分放电状态下的状态相比，充满电的电池的过冲裕度较低。

    典型的锂离子电池 SoC。
    图 3：典型锂离子电池 SoC（德州仪器）
    UCC5880-Q1 部件具有可变栅极驱动功能，允许控制器通过部件上单独的 5A 和 15A 驱动器的组合来选择 5A、15A 或 20A 栅极驱动器，如图 4 所示。两个驱动器的 OUTH（开启）和 OUTL（关闭）相加，如图 2 所示，用户控制打开，启用其中任何一个。
     图 4：UCC5880-Q1 双输出分离式栅极驱动结构的简化原理图（德州仪器）
    高电池电压条件下较低的驱动可以防止过冲，而在负载周期的其余时间内可以使用较高的驱动，从而降低开关损耗。

    在 800 V、540 A 条件下对 UCC5880-Q1 进行的开关测试显示损耗与栅极驱动强度的函数关系，从强到弱（从左到右）。

    图 5：在 800 V、540 A 条件下对 UCC5880-Q1 进行的开关测试显示损耗与栅极驱动强度的函数关系，从强到弱（从左到右）（德州仪器）
    基于逆变器电压和电流水平的栅极驱动条件的逐周期切换已被证明可以显着提高效率在现实条件下。TI 在 800 V/540 A 下进行的双脉冲测试开关测试显示了开启和关闭瞬态期间开关损耗与过冲/转换速率之间的权衡。图 5 从左到右的列中说明了栅极驱动强度为 20 A、15 A 和 5 A 时的情况。在实际驾驶速度和加速度设置下，使用统一轻型车辆测试程序对这种可变栅极驱动功能进行建模，预测 SiC 功率级效率增益高达 2%，相当于每次平均电池充电可额外行驶 7 英里。对于每周为车辆充电 3 次的电动汽车用户来说，这可能意味着每年可额外行驶 1,000 英里以上。
    UCC5880-Q1 栅极驱动器提供 SPI 可编程性、集成监控和保护功能，并可利用可变栅极驱动功能将电动汽车牵引逆变器效率提高高达 2%。
    “栅极驱动器类似于牵引逆变器的火花塞，但更加智能且可配置性更高，”TI 隔离式栅极驱动器产品产品经理 Matt Roming 说道。“UCC5880-Q1 的驱动强度可以根据实时逆变器电压和电流条件进行调整，以优化逆变器效率，而不牺牲可靠性并保持安全操作窗口。这显着提高了效率，从而增加了电动汽车的行驶里程。”