简介

隔离式栅极驱动器在电动汽车 (EV) 牵引逆变器中用于驱动电机电源开关（绝缘栅双极晶体管 [IGBT] 或碳化硅 [SiC]），并将直流电池转换为电机的交流电源。隔离式栅极驱动器还提供低电压到高电压电气隔离，防止牵引逆变器中出现不必要的直流和交流电源流动，同时实现数据和电力传输。隔离对于保护人员密集情况和低压电路免受高电压影响和处理接地电势差至关重要。此外，当晶体管在电源接地端（相对于逻辑电平输入接地）以高压摆率切换高电压时，隔离可减少电气噪声并承受共模瞬态。

隔离式栅极驱动器可在高 dv/dt 环境中建立可靠的开关性能。

图 1显示了隔离式栅极驱动器的简图。

什么是共模瞬态抗扰度？

新一代牵引逆变器需要更多的控制、更高性能和更复杂的感应功能，才能利用 SiC FET 等新的电源开关技术。SiC FET 的开关频率接近 30KHz 或更高。更高的开关频率的优势包括滤波器尺寸更小、控制和响应更快以及失真更低。

在牵引逆变器中运行时，共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是隔离式栅极驱动器的一个重要参数。牵引逆变器需要高效率和超低的开关损耗，导致 SiC MOSFET 漏源电压的 dv/dt 大幅增加。具体而言，CMTI 是指从初级侧到次级侧的电压变化抗扰度。CMTI 是两个隔离电路之间适用的共模电压的最大容许上升或下降速率。CMTI 单位通常为 kV/us、或等效于 V/ns。

高 CMTI 意味着当以非常高的上升（正）转换率或高下降（负）转换率冲击绝缘栅时，两个隔离电路（发送器侧和接收器侧）在数据表规范范围内运行良好且无错误。图 2显示了简化的 CMTI 测试设置和典型的共模脉冲波形。

在绝缘栅上施加 VCM 脉冲时，确认简化方框图中的 IN 和 OUT 信号是否遵循适当的逻辑。根据 IEC 60747-17 标准，CMTI 测试高达数据表中列出的电压，并且对最大隔离工作电压 (VIOWM) 的测试是对隔离完整性的额外验证。IEC 60747-17 标准建议通过测量最终共模脉冲振幅 (|VCM|) 的20%至80%范围内的 转换率来确定共模脉冲的转换率。

CMTI 对于隔离式栅极驱动器处理两个接地基准之间的差分电压至关重要。CMTI 展示了栅极驱动器承受上升和下降 转换率的稳健性。此外，CMTI 的存在意味着隔离信号链内电路和隔离元件经过详细的设计。

静态与动态 CMTI

有两种类型的 CMTI：静态和动态。静态 CMTI 是输入连接到逻辑高电平或逻辑低电平的测试条件，并在共模瞬态度 (CMT) 冲击期间监控输出状态。确认在过程、电压和温度变化情况下栅极驱动器输出是否保持在 CMTI 规范的指定的高电平或低电平状态。

图 3显示了静态 CMTI 测量示例，其中包含共模高电平 (CM_H) 和共模低电平 (CM_L) 脉冲。

动态 CMTI 测量在特定动态（开关）事件中发生 CMT 冲击的时间。当 CMT 冲击施加到数字 I/O 信号的上升沿或下降沿时，则会发生动态事件。另一个发生情况示例是测试具有高级内部通信功能的高级栅极驱动器中通信通道的稳健性。图 4展示了第二个示例。

标准仍然相同，输出应保持在正确的逻辑状态，作为输入或跟随输入。图 5显示了潜在的故障情况，包括：

• 漏脉冲
• 过度的传播延迟
• 高误差
• 低误差
• 输出闩锁

测试静态/动态 CMTI

图 6显示了用于测试静态或动态 CMTI 的设备：

静态 CMTI：

• 受测器件（DUT = 隔离式栅极驱动器）
• CMT 发生器
• 电池或隔离式电源
• 高性能测量设置

动态 CMTI：

• 受测器件（DUT = 隔离式栅极驱动器）
• CMT 发生器
• 电池或隔离式电源
• 高性能测量设置
• 信号同步
• 隔离式探针

CMTI 测试展示了隔离式栅极驱动器对共模瞬态的抗扰度。CMTI 性能包括对新发布的具有实时可变栅极驱动强度和 16 个 DESAT 阈值设置的 UCC5881-Q1 功能安全合规型可编程隔离式栅极驱动器进行测试。图 7展示了 UCC5881-Q1 在使用 100 个连续逆变器正弦周期进行 dv/dt 关断期间具有高性能。

结语

CMTI 在 EV 牵引逆变器的正常工作方面发挥着重要作用。低于标准的共模抗扰度可能会导致误差，影响系统性能和安全。

为了确保牵引逆变器正常工作，以高开关速度和转换率驱动高级 SiC FET 的隔离式栅极驱动器必须使用不受 CMTI 影响并在嘈杂的开关环境中表现出稳健性的隔离栅。无论开关频率如何，都施加相同的 CMTI。随着瞬态速度的增加，需要更高的 CMTI。

UCC5881-Q1 是适用于牵引逆变器的最新款可编程隔离式栅极驱动器，具有 TI 指定的 150V/ns 最大共模转换率。

UCC5881-Q1 在应用级静态和动态 CMTI 测试中表现良好，是 TI 整个 EV 牵引逆变器解决方案中的关键组成部分。