功率器件柵極驅(qū)動(dòng)器要求

    

   圖 1 顯示了電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的簡(jiǎn)化框圖。該圖中的紅色方塊代表柵極驅(qū)動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)的相關(guān)功率級(jí)。該應(yīng)用中柵極驅(qū)動(dòng)器的一些關(guān)鍵功能包括：

    提供隔離。在 HV 側(cè)，柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)驅(qū)動(dòng)參考 800V 直流總線(xiàn)電壓的SiC器件。另一方面，由 PWM 控制器驅(qū)動(dòng)的低壓 (LV) 側(cè)可能處于邏輯 5V 電平（參見(jiàn)圖 2）。

    UCC5880-Q1 的簡(jiǎn)化原理圖顯示了初級(jí)側(cè)（左）和次級(jí)側(cè)（右）之間的隔離。
    圖 2：UCC5880-Q1 的簡(jiǎn)化原理圖，顯示初級(jí)側(cè)（左）和次級(jí)側(cè)（右）之間的隔離（德州儀器）
    因此，驅(qū)動(dòng)器芯片需要隔離這兩個(gè)域，確保低壓電路不受高壓影響，并為人員提供安全保障，例如服務(wù)或診斷驅(qū)動(dòng) PWM 信號(hào)的控制器芯片。開(kāi)關(guān)期間的電壓瞬變可能會(huì)在接地環(huán)路中產(chǎn)生高電流，并且接地環(huán)路的正確分離對(duì)于避免高壓開(kāi)關(guān)在低壓域中產(chǎn)生接地電位差至關(guān)重要。因此，抗噪性是隔離的一個(gè)關(guān)鍵方面。存在多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義絕緣規(guī)格，包括：    
    DIN VDE 0884-11 與加強(qiáng)絕緣相關(guān)。這有助于設(shè)置瞬態(tài)隔離電壓 (V IOTM )、工作電壓 (V IORM ) 和浪涌隔離電壓 (V IOSM ) 等規(guī)格。例如，在 800V 電動(dòng)汽車(chē)逆變器應(yīng)用中，連續(xù)工作電壓需要在該 800V 電平之上有足夠的余量，所需的峰值（瞬態(tài)）額定值是該值的幾倍。UCC5880-Q1 部件計(jì)劃獲得7,070 V 的V IOTM和 V IOSM。
    UL 1577 定義了耐受隔離電壓 (V IOS ) 以及勢(shì)壘電容 (C IO )。UCC5880-Q1 計(jì)劃獲得 5 kV RMS 隔離。DIN EN IEC 60112 定義了絕緣材料的相對(duì)漏電起痕指數(shù)。這與封裝爬電距離和間隙規(guī)格一起有助于確保封裝具有強(qiáng)大的絕緣特性。
    IEC 60747-17 定義了共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 測(cè)試方法。CMTI 定義了兩個(gè)電路之間施加的共模電壓的上升或下降速率，在隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的情況下，這兩個(gè)電路將是 LV 和 HV 側(cè)。與硅功率器件相比，SiC 或GaN功率器件可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速率。這可以減少開(kāi)關(guān)損耗并減小磁性元件的尺寸，但會(huì)使電路更容易受到電磁干擾。UCC5880-Q1 部件的 CMTI 額定值為 100 kV/us。
    功能安全和監(jiān)控。柵極驅(qū)動(dòng)器提供功率器件的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。這確保了安全、可靠的運(yùn)行，并有助于防止電源模塊內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性故障。這可以幫助整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到 ISO 26262 和 ASIL-D 質(zhì)量規(guī)范。其中一些功能包括：
    欠壓鎖定 (UVLO) 和過(guò)壓鎖定 (OVLO)。UVLO 監(jiān)控對(duì)于 SiC 功率 MOSFET 至關(guān)重要，因?yàn)闁艠O電壓下降會(huì)導(dǎo)致更高的損耗和發(fā)熱。OVLO 條件會(huì)影響柵極氧化物的可靠性。UCC5880-Q1 檢查內(nèi)部和外部電源上的 UVLO 和 OVLO。負(fù)載故障導(dǎo)致的短路或過(guò)流情況可能會(huì)導(dǎo)致功率器件進(jìn)入高漏極電壓和電流模式，從而導(dǎo)致發(fā)熱并可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。當(dāng) V DS /V CE下降時(shí)，去飽和（或去飽和）引腳和隨附的外部電路檢測(cè)到故障當(dāng)功率 FET 導(dǎo)通時(shí)，功率器件的電壓超過(guò) SPI 可編程閾值。UCC5880-Q1 具有針對(duì)功率器件的去飽和和基于分流電阻器的過(guò)流保護(hù)功能，并且對(duì)過(guò)流事件具有快速響應(yīng)時(shí)間。此外，外部負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器可用于向主機(jī)發(fā)出過(guò)熱情況警報(bào)。可編程軟關(guān)斷 (STO) 和兩級(jí)關(guān)斷 (2LTOFF) 有助于防止功率晶體管過(guò)壓損壞由于寄生電感的高 di/dt 轉(zhuǎn)換導(dǎo)致電壓尖峰。減慢 di/dt（尤其是在故障情況下）可以提高系統(tǒng)可靠性。UCC5880-Q1 具有可編程 STO 和 2LTOFF 設(shè)??置。
    UCC5880-Q1 上的集成 10 位 ADC 可用于監(jiān)控其他幾個(gè)系統(tǒng)功能，例如直流母線(xiàn)電壓和功率器件的閾值電壓。

    提高系統(tǒng)效率。事實(shí)證明，用 SiC 功率器件替代硅 IGBT 可以將牽引逆變器效率提高高達(dá) 10%。提高行駛里程和縮短充電時(shí)間的需求是進(jìn)一步提高效率的動(dòng)力。開(kāi)關(guān)損耗通常與開(kāi)啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間允許的電壓和電流過(guò)沖進(jìn)行權(quán)衡。例如，SiC MOSFET 輸入端較高的柵極電阻會(huì)減慢轉(zhuǎn)換和過(guò)沖，但代價(jià)是開(kāi)關(guān)損耗更大。讓我們考慮一下充電周期后鋰離子電池組在負(fù)載下的典型充電狀態(tài) (SoC) 曲線(xiàn)。如圖 3 所示，與穩(wěn)定或部分放電狀態(tài)下的狀態(tài)相比，充滿(mǎn)電的電池的過(guò)沖裕度較低。

    典型的鋰離子電池 SoC。
    圖 3：典型鋰離子電池 SoC（德州儀器）
    UCC5880-Q1 部件具有可變柵極驅(qū)動(dòng)功能，允許控制器通過(guò)部件上單獨(dú)的 5A 和 15A 驅(qū)動(dòng)器的組合來(lái)選擇 5A、15A 或 20A 柵極驅(qū)動(dòng)器，如圖 4 所示。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 OUTH（開(kāi)啟）和 OUTL（關(guān)閉）相加，如圖 2 所示，用戶(hù)控制打開(kāi)，啟用其中任何一個(gè)。
     圖 4：UCC5880-Q1 雙輸出分離式柵極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖（德州儀器）
    高電池電壓條件下較低的驅(qū)動(dòng)可以防止過(guò)沖，而在負(fù)載周期的其余時(shí)間內(nèi)可以使用較高的驅(qū)動(dòng)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。

    在 800 V、540 A 條件下對(duì) UCC5880-Q1 進(jìn)行的開(kāi)關(guān)測(cè)試顯示損耗與柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，從強(qiáng)到弱（從左到右）。

    圖 5：在 800 V、540 A 條件下對(duì) UCC5880-Q1 進(jìn)行的開(kāi)關(guān)測(cè)試顯示損耗與柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，從強(qiáng)到弱（從左到右）（德州儀器）
    基于逆變器電壓和電流水平的柵極驅(qū)動(dòng)條件的逐周期切換已被證明可以顯著提高效率在現(xiàn)實(shí)條件下。TI 在 800 V/540 A 下進(jìn)行的雙脈沖測(cè)試開(kāi)關(guān)測(cè)試顯示了開(kāi)啟和關(guān)閉瞬態(tài)期間開(kāi)關(guān)損耗與過(guò)沖/轉(zhuǎn)換速率之間的權(quán)衡。圖 5 從左到右的列中說(shuō)明了柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度為 20 A、15 A 和 5 A 時(shí)的情況。在實(shí)際駕駛速度和加速度設(shè)置下，使用統(tǒng)一輕型車(chē)輛測(cè)試程序?qū)@種可變柵極驅(qū)動(dòng)功能進(jìn)行建模，預(yù)測(cè) SiC 功率級(jí)效率增益高達(dá) 2%，相當(dāng)于每次平均電池充電可額外行駛 7 英里。對(duì)于每周為車(chē)輛充電 3 次的電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這可能意味著每年可額外行駛 1,000 英里以上。
    UCC5880-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器提供 SPI 可編程性、集成監(jiān)控和保護(hù)功能，并可利用可變柵極驅(qū)動(dòng)功能將電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器效率提高高達(dá) 2%。
    “柵極驅(qū)動(dòng)器類(lèi)似于牽引逆變器的火花塞，但更加智能且可配置性更高，”TI 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品產(chǎn)品經(jīng)理 Matt Roming 說(shuō)道?！癠CC5880-Q1 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以根據(jù)實(shí)時(shí)逆變器電壓和電流條件進(jìn)行調(diào)整，以?xún)?yōu)化逆變器效率，而不犧牲可靠性并保持安全操作窗口。這顯著提高了效率，從而增加了電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。”