5 隔离式栅极驱动器

TI 栅极驱动器具有高达 5.7kVRMS 的隔离能力，有助于防止电击，同时提供更高的工作电压以及更宽的爬电距离和间隙，从而提高系统可靠性。主要提供两个隔离式栅极驱动器系列：

• 保护栅极驱动器 UCC2182xx-Q1
• 可编程栅极驱动器 UCC5881-Q1

UCC2182xx-Q1 是一款隔离式栅极驱动器，具有主动保护和高级安全特性，例如多种 UVLO 选项（12V、15V 和 17V），并具有增强型隔离、去饱和 (DESAT) 和过流 (OC) 保护以及过热保护。与传统器件相比，灌电流和拉电流增加到 15A，而 20-DFP 封装可将占用空间减小 45%。该器件具有软关断引脚，可用于在关断期间微调电流，支持初级和次级主动短路 (ASC) 保护，并在启动时进行内置自检，以检查诊断功能中的比较器。

可编程栅极驱动器 UCC5881-Q1 因其可编程寄存器而得名，后者可设置为根据器件数据表修改不同参数，例如 UVLO 或 DESAT。这些寄存器可通过 SPI 来寻址。在 TI 的新一代可编程栅极驱动器中，用户还可以改变栅极驱动强度。在驱动功率级的栅极时，强驱动信号可降低开关损耗，因为强信号可缩短开关在压降条件下导通电流的时间。同时，强驱动信号会产生可能接近漏源电压限值的较大过冲，这可能会损坏开关，尤其是在充满电的电池组（余量最小）条件下。弱驱动信号会降低过冲并提高运行安全性，但由于压摆率降低，开关损耗就会升高。请参阅图 5-1。

图 5-1 弱栅极驱动与强栅极驱动以及对损耗和过冲的影响

可编程栅极驱动器（例如 UCC5881-Q1）可以利用弱驱动信号和强驱动信号来产生组合驱动。驱动电流与开关节点的电压上升时间成反比，因此强驱动电流会增加开关节点电压的斜率。当电流达到直流链路（目标）电压时，开关节点电压会在短时间内继续上升，然后再回降至直流链路（目标）电压。这种额外上升称为过冲。驱动电流越强，斜率就越高，因此电压电平可以轻松达到漏源电压限值。

可编程栅极驱动的强度（可以通过 SPI 或 GPIO 随时设置确切的运行模式）会采用强驱动工作模式，直到输出电流达到特定值，此时驱动会切换至弱栅极驱动模式。这种组合驱动可降低过冲损坏开关的风险（与仅强栅极驱动相比），同时能够显著降低功率损耗（与仅弱栅极驱动相比）。请参阅图 5-2。

图 5-2 可编程栅极驱动器的组合驱动输出

根据 CLTC 驱动循环，使用可变强度驱动来降低功率损耗可带来：

• 逆变器效率提高 2% 以上
• 电池成本节省 140 美元
• 续航里程增加 15.5km
• 重量减轻 9kg
• 电池体积减少 7.5l（物理尺寸）

图 5-3 显示了可编程栅极驱动的强度特性在实际应用中的实现。当使用强栅极驱动 (20A) 使关断瞬态电压（黄色曲线）在 ILOAD = 300A 条件下接近 1080V VDS 过冲限制时，GPIO 驱动的信号强度变化（绿色曲线）将开启弱驱动模式 (5A)，瞬变电压将在下一个开关周期降至 991V。

图 5-3 可编程驱动强度应用示例

UCC5881-Q1 驱动器系列包括以下额外功能：

• 初级侧和次级侧 ASC 保护，可提高系统设计灵活性
• 具有双路输出的分离式输出驱动器，支持可调节栅极驱动（±15A 和 ±5A 驱动电流），集成 4A 有源米勒钳位功能，也可选配外部驱动用于米勒钳位晶体管
• 互锁和击穿保护以及可编程最小脉冲抑制
• 内部和外部电源欠压和过压保护
• 集成的诊断功能支持高达 ASIL D 等级的 ISO26262 功能安全要求，例如运行状况监控（在系统的生命周期内执行阈值电压测量）和故障预测（向 MCU 提供电源开关数据以预测故障）
• 基于分流电阻器的过流保护
• 过热（PTC、NTC 或二极管）和 DESAT 检测
• 工作温度范围为 -40°C 至 +125°C

UCC5880-Q1 逆变器评估模块 (EVM) 既可通过焊接在电路板上的 100nF 电容器负载，独立用于测试栅极驱动器，也可基于 Wolfspeed® XM3 SiC MOSFET 用于直接驱动半桥功率模块，以进行高功率测试。请参阅图 5-4。

该板上包含两个 UCC14241-Q1 隔离式偏置电源。该 EVM 支持灵活配置不同的 SPI 通信方法，包括常规 SPI、菊花链和基于 TI 地址。该 EVM 可与 Sitara™ 和 C2000™ 实时微控制器控制卡连接，用于高达 300kW 的三相逆变器测试。

图 5-4 UCC5880-Q1 用于牵引逆变器中可变隔离式栅极驱动的评估模块