5 隔離式閘極驅動器

TI 閘極驅動器隔離 – 高達 5.7 kV_RMS – 可協助防止觸電，並提供更高工作電壓、更寬廣爬電距離與間隙距離，以提升系統可靠性。主要隔離式閘極驅動器系列共有兩個：智慧型驅動器 UCC21750-Q1 系列和安全驅動器 UCC5870-Q1 系列。UCC21750-Q1 系列包括牽引逆變器中電源模組的保護功能，例如快速過電流和短路偵測、分流電流感測支援、故障報告、主動米勒箝制、輸入與輸出側電源供應器欠電壓鎖定偵測。隔離式類比轉 PWM 感測器可幫助簡化溫度或電壓感測。

UCC5870-Q1 驅動器系列包含以下功能：

• 符合功能安全標準的隔離式單通道閘極驅動器，支援高達 1-kV_RMS 工作電壓及超過 40 年的隔離層壽命，並提供低零件間偏斜和 >100 V/ns 共模雜訊抗擾性 (CMTI)
• 高 30-A 峰值驅動強度可減少功率切換損失，並免除驅動電路上的緩衝電路，進而降低成本。
• 溫度感測器可監控電源模組的溫度，並允許操作溫度高達特定溫度限制，有助於支援寬廣運作範圍
• 配備米勒箝制以防止誤開啟，並讓開關能視需要快速切換以達到效率目標

圖 5-1 與 圖 5-2 展示了 UCC5870-Q1 及競爭裝置在下列測試條件下的 30-A 驅動強度：

• Vcc2 – Vee2 = 23 V
• R_gon = R_goff = 0 Ω
• 負載電容 = 1 μF

提升牽引逆變器效率並降低 EMI 的方法之一，是調整控制電壓轉換率的閘極驅動輸出，進而在溫度、負載和電壓等各種條件下改變切換速度。舉例來說，當電池電壓耗盡時，暫態電壓 (dv/dt) 自然較小，閘極驅動器輸出也可調整以加快開關轉換。

圖 5-3 與 圖 5-4 說明以 UCC5870-Q1 為基礎的可調式閘極驅動實作。圖 5-3 展示設計圖，圖 5-4 則說明與 Company WolfSpeed 的 XM3 半橋式電源模組系列相連接的設計電路板。

圖 5-5 與 圖 5-6 顯示雙脈衝測試波形。上升邊緣的平均切換 dv/dt 速度從 4.6 kV/μs 增加到 21 kV/μs。下降邊緣的平均切換 dv/dt 速度從 3.8 kV/μs 增加到 13.5 kV/μs。

下列兩個影像都是在 800-V 匯流排下以雙脈衝測試波形收集而得。

表 5-1 說明在 400-V 匯流排電壓下，弱驅動 (5.5-Ω 閘極電阻) 與強驅動電流 (0.5 Ω 閘極電阻) 間的切換能量比較。

表 5-2 顯示在 800-V 匯流排電壓下，弱驅動與強驅動電流間的切換能源比較。