ZHCAEA4 August 2024 UCC57102 , UCC57102-Q1 , UCC57108 , UCC57108-Q1
簡(jiǎn)介
隨著電動(dòng)汽車日益普及，工程師需要為用戶設(shè)計(jì)安全高效的系統(tǒng)。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和全電動(dòng)汽車 (EV) 架構(gòu)中，牽引逆變器是一個(gè)必須考慮的重要因素。通常，HEV 架構(gòu)中使用三相逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛的電機(jī)。逆變器設(shè)計(jì)在很大程度上取決于系統(tǒng)的整體電源要求，以及 HEV 架構(gòu)所使用的整體架構(gòu)類型。HEV 架構(gòu)涉及內(nèi)燃機(jī)，但 EV 則不需要。因此，根據(jù)車輛架構(gòu)類型的不同，逆變器需要不同的能源。無(wú)論如何，牽引逆變器在驅(qū)動(dòng) HEV 和 EV 系統(tǒng)中的電機(jī)方面都發(fā)揮著重要作用。
牽引逆變器系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到許多要素，包括電源管理級(jí)、高功率開關(guān)和用于控制柵極驅(qū)動(dòng)器的微控制器。這些系統(tǒng)中通常使用 SiC（碳化硅）MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）開關(guān)。開關(guān)在逆變器運(yùn)行中至關(guān)重要，因?yàn)槟孀兤魇闺娏髂軌蛄飨螂姍C(jī)，從而驅(qū)動(dòng)車輛。開關(guān)非常重要，因此車輛中包含許多監(jiān)控器和傳感器來(lái)確保開關(guān)的正常工作，例如溫度、電壓和電流檢測(cè)。此外，由于存在大量可能的故障場(chǎng)景，因此盡快檢測(cè)故障對(duì)工程師來(lái)說(shuō)非常重要。
去飽和保護(hù)
去飽和保護(hù)是檢測(cè)短路故障的一種常用方法，已集成到 UCC5710x-Q1 中。UCC5710x-Q1 是德州儀器 (TI) 首款具有集成保護(hù)功能的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，如圖 1 所示。
圖 1 采用 D 封裝的 UCC57108B-Q1 的引腳排列。去飽和檢測(cè) (DESAT) 是一種用于監(jiān)測(cè) IGBT 或 SiC MOSFET 行為的常用方法。DESAT 會(huì)監(jiān)測(cè)所用開關(guān)導(dǎo)通時(shí)開關(guān)兩端的電壓。如果發(fā)生短路等故障，DESAT 可以檢測(cè)因開關(guān)上的電流急劇上升而導(dǎo)致的電壓上升（VCE 或 VDS）。當(dāng)電壓超過(guò)故障檢測(cè)閾值電壓（基于所使用的柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)）時(shí)，便會(huì)激活 DESAT 保護(hù)，并關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器的輸出，以防止開關(guān)在故障期間發(fā)生災(zāi)難性擊穿。
DESAT 故障保護(hù)電路示例由一個(gè)電阻器、一個(gè)消隱電容器和一個(gè)二極管組成，如圖 2 所示。在正常工作期間，二極管正向偏置，從而允許電流流過(guò)二極管并防止消隱電容器充電。在短路事件中，開關(guān)上的電壓上升，并使二極管反向偏置，使電流流經(jīng)消隱電容器。在電容值設(shè)置的時(shí)間后，電容器上的電壓超過(guò)內(nèi)部 DESAT 閾值電壓，并檢測(cè)到 DESAT。
圖 2 去飽和檢測(cè)電路。UCC5710x-Q1 具有內(nèi)置 DESAT 檢測(cè)電路，其檢測(cè)時(shí)間可通過(guò)外部元件進(jìn)行編程。該時(shí)間由 CBLK 控制，電容器充電時(shí)間稱為消隱時(shí)間，可通過(guò)以下公式計(jì)算：
UCC5710x-Q1 在輸入切換至高電平狀態(tài)后具有 150ns 的典型內(nèi)部前沿消隱時(shí)間。在消隱時(shí)間期間，柵極驅(qū)動(dòng)器可以避免錯(cuò)誤觸發(fā)，例如導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間生成的噪聲。在這段內(nèi)部前沿消隱時(shí)間之后，內(nèi)部電流源 (ICHG) 會(huì)被激活，從而為外部消隱電容器充電，其中對(duì)于 UCC5710x-Q1 的 250μA 型號(hào)，電流源的典型值為 250μA。該柵極驅(qū)動(dòng)器的 DESAT 引腳典型閾值為 6.5V，但可以通過(guò)添加更多串聯(lián) DHV 二極管或串聯(lián)齊納二極管來(lái)在外部進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)整 DESAT 閾值電壓的另一種方法是更改電阻值，但這種方法適用于小范圍調(diào)整（幾百 mV 以內(nèi)）。對(duì)于更大的調(diào)整（例如 3V），可以使用齊納二極管，并且齊納二極管有多種拐點(diǎn)電壓可供選擇。選擇齊納二極管時(shí)，壓降取決于電流偏置（在本例中為 ICHG）。UCC5710x-Q1 為設(shè)計(jì)人員提供了一種根據(jù)所用開關(guān)和所需時(shí)序定制電路中 DESAT 保護(hù)的方法。
故障報(bào)告
UCC5710x-Q1 還具有低電平有效故障報(bào)告功能。檢測(cè)到 DESAT 故障時(shí)，nFLT 引腳會(huì)下拉至 GND，并保持低電平，直到故障清除。圖 3 展示了 DESAT 故障發(fā)生時(shí)，故障引腳被下拉至接地并且輸出也隨之關(guān)閉的情況。
圖 3 UCC57108B-Q1 的 DESAT 和故障功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇將該故障信號(hào)饋送到控制 UCC5710x-Q1 的微控制器單元 (MCU) 或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，并在檢測(cè)到故障時(shí)采取措施。此外，nFLT 引腳還能夠報(bào)告內(nèi)部熱關(guān)斷 (TSD) 或欠壓鎖定(UVLO) 故障。如果器件的溫度顯著升高，或電源電壓低于 UVLO，則該故障引腳會(huì)被下拉至接地，表示發(fā)生了故障。采用 D 封裝的 UCC57108B-Q1 具有 126.4°C/W 的結(jié)至環(huán)境熱阻，這意味著該器件在熱阻方面優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手制造的某些驅(qū)動(dòng)器。圖 4 和圖 5 展示了 UCC57108B-Q1 以及競(jìng)品器件在 VDD = 15V、0V 至 5V 輸入、100kHz 開關(guān)頻率和 1nF 負(fù)載條件下的熱性能。UCC57108B-Q1 對(duì)溫度變化不太敏感，并具有出色的熱性能。UCC5710x-Q1 的故障檢測(cè)功能可讓工程師監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障，并保護(hù)系統(tǒng)免受潛在的損害。
圖 4 UCC57108B-Q1 熱性能測(cè)試
圖 5 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手器件熱性能測(cè)試。應(yīng)用
UCC5710x-Q1 是一款出色的高速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，具有非常適合汽車應(yīng)用的保護(hù)功能，例如牽引逆變器、HEV/PTC 正溫度系數(shù) (PTC) 加熱器和車載 EV 充電器等。借助 UCC5710x-Q1 的保護(hù)功能，工程師可以設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)故障并保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受故障的影響。例如，工程師可以監(jiān)控牽引逆變器中的故障，并讓系統(tǒng)跟隨該器件相應(yīng)地做出響應(yīng)。其輸入能夠承受高達(dá) -5V 的電壓，并與 VDD 兼容。寬輸入電壓范圍為工程師提供了更多的靈活性和穩(wěn)健性，可讓更廣泛的信號(hào)能夠進(jìn)入該器件，而無(wú)需過(guò)多擔(dān)憂。
圖 6 UCC57108B-Q1 上升和下降傳播延遲
圖 7 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手器件上升和下降傳播延遲此外，UCC5710x-Q1 還具有低傳播延遲和較低的最小輸入脈沖寬度，這意味著工程師可以在汽車應(yīng)用中使用速度更快、更可靠的器件。圖 6 展示了 UCC57108B-Q1 的傳播延遲，而圖 7 展示了競(jìng)品器件的傳播延遲。這些器件以 0V 至 5V 的輸入電壓運(yùn)行，頻率為 500kHz，并在 VDD = 15V 時(shí)驅(qū)動(dòng) 1nF 容性負(fù)載。低傳播延遲和最小輸入脈沖寬度還使工程師能夠獲得可更快地響應(yīng)輸入變化的快速器件。表 1 總結(jié)了 UCC57108B-Q1 與競(jìng)品器件之間的主要差異。與具有相似引腳布局和特性的其他柵極驅(qū)動(dòng)器相比，UCC5710x-Q1 提供了更高的系統(tǒng)穩(wěn)健性和更出色的設(shè)計(jì)。UCC5710x-Q1 為汽車設(shè)計(jì)提供了一種穩(wěn)健的選擇，使工程師能夠打造一個(gè)可靠、快速且安全的系統(tǒng)。
| 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) | UCC57108B-Q1 | 競(jìng)品器件 1 |
|---|---|---|
正電源 (VDD-GND) 絕對(duì)最大值 | 30V | 22V |
輸入信號(hào)直流電壓 絕對(duì)最大值 | 30V | 5.5V |
傳播延遲 下降/上升 典型值 | 28ns/26ns | 54ns/59ns |
輸入脈沖寬度 傳遞到輸出的最小值 | 9ns | 40ns |
結(jié)至環(huán)境熱阻 (RθJA) | 126.4°C/W | 176°C/W |
參考資料
- 德州儀器 (TI)，了解用于碳化硅 MOSFET 的短路保護(hù) 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)。
- 德州儀器 (TI)，使用隔離式 IGBT 和 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的 HEV/EV 牽引逆變器設(shè)計(jì)指南 應(yīng)用手冊(cè)。
- 德州儀器 (TI)，UCC5710x-Q1 適用于汽車應(yīng)用且具有 DESAT 保護(hù)功能的高速、低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，EVM 用戶指南：UCC57108EVM UCC57108 評(píng)估模塊，評(píng)估模塊用戶指南。