ZHCABS8B September   2022  – February 2026 AM2631 , AM2631-Q1 , AM2632 , AM2632-Q1 , AM2634 , AM2634-Q1 , UCC14130-Q1 , UCC14131-Q1 , UCC14140-Q1 , UCC14141-Q1 , UCC14240-Q1 , UCC14241-Q1 , UCC14340-Q1 , UCC14341-Q1 , UCC15240-Q1 , UCC15241-Q1 , UCC5870-Q1 , UCC5871-Q1 , UCC5880-Q1 , UCC5881-Q1

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 简介
  5. 架构和趋势
    1. 2.1 两电平逆变器和三电平逆变器
    2. 2.2 电驱动桥和多合一架构
    3. 2.3 牵引逆变器设计的其他趋势
  6. 支持牵引逆变器的关键技术
  7. 微控制器和电源管理 IC
    1. 4.1 C2000™ 系列
    2. 4.2 电源管理 IC
  8. 隔离式栅极驱动器
  9. 低压隔离式偏置电源
  10. 高压隔离式偏置电源
  11. 直流链路有源放电
  12. 转子位置感应
  13. 10隔离式电压和电流检测
    1. 10.1 隔离式电流检测
    2. 10.2 隔离电压检测
  14. 11系统工程和参考设计
  15. 12结语
  16. 13参考资料

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:

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

AM2634-Q1, C2000, UCC14240-Q1, UCC5870-Q1 弱栅极驱动与强栅极驱动以及对损耗和过冲的影响图 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

AM2634-Q1, C2000, UCC14240-Q1, UCC5870-Q1 可编程栅极驱动器的组合驱动输出图 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。

AM2634-Q1, C2000, UCC14240-Q1, UCC5870-Q1 可编程驱动强度应用示例图 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。

AM2634-Q1, C2000, UCC14240-Q1, UCC5870-Q1 UCC5880-Q1 用于牵引逆变器中可变隔离式栅极驱动的评估模块图 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