簡介

隔離式柵極驅動器在電動汽車 (EV) 牽引逆變器中用于驅動電機電源開關（絕緣柵雙極晶體管 [IGBT] 或碳化硅 [SiC]），并將直流電池轉換為電機的交流電源。隔離式柵極驅動器還提供低電壓到高電壓電氣隔離，防止牽引逆變器中出現不必要的直流和交流電源流動，同時實現數據和電力傳輸。隔離對于保護人員密集情況和低壓電路免受高電壓影響和處理接地電勢差至關重要。此外，當晶體管在電源接地端（相對于邏輯電平輸入接地）以高壓擺率切換高電壓時，隔離可減少電氣噪聲并承受共模瞬態。

隔離式柵極驅動器可在高 dv/dt 環境中建立可靠的開關性能。

圖 1顯示了隔離式柵極驅動器的簡圖。

什么是共模瞬態抗擾度？

新一代牽引逆變器需要更多的控制、更高性能和更復雜的感應功能，才能利用 SiC FET 等新的電源開關技術。SiC FET 的開關頻率接近 30KHz 或更高。更高的開關頻率的優勢包括濾波器尺寸更小、控制和響應更快以及失真更低。

在牽引逆變器中運行時，共模瞬態抗擾度 (CMTI) 是隔離式柵極驅動器的一個重要參數。牽引逆變器需要高效率和超低的開關損耗，導致 SiC MOSFET 漏源電壓的 dv/dt 大幅增加。具體而言，CMTI 是指從初級側到次級側的電壓變化抗擾度。CMTI 是兩個隔離電路之間適用的共模電壓的最大容許上升或下降速率。CMTI 單位通常為 kV/us、或等效于 V/ns。

高 CMTI 意味著當以非常高的上升（正）轉換率或高下降（負）轉換率沖擊絕緣柵時，兩個隔離電路（發送器側和接收器側）在數據表規范范圍內運行良好且無錯誤。圖 2顯示了簡化的 CMTI 測試設置和典型的共模脈沖波形。

在絕緣柵上施加 VCM 脈沖時，確認簡化方框圖中的 IN 和 OUT 信號是否遵循適當的邏輯。根據 IEC 60747-17 標準，CMTI 測試高達數據表中列出的電壓，并且對最大隔離工作電壓 (VIOWM) 的測試是對隔離完整性的額外驗證。IEC 60747-17 標準建議通過測量最終共模脈沖振幅 (|VCM|) 的20%至80%范圍內的 轉換率來確定共模脈沖的轉換率。

CMTI 對于隔離式柵極驅動器處理兩個接地基準之間的差分電壓至關重要。CMTI 展示了柵極驅動器承受上升和下降 轉換率的穩健性。此外，CMTI 的存在意味著隔離信號鏈內電路和隔離元件經過詳細的設計。

靜態與動態 CMTI

有兩種類型的 CMTI：靜態和動態。靜態 CMTI 是輸入連接到邏輯高電平或邏輯低電平的測試條件，并在共模瞬態度 (CMT) 沖擊期間監控輸出狀態。確認在過程、電壓和溫度變化情況下柵極驅動器輸出是否保持在 CMTI 規范的指定的高電平或低電平狀態。

圖 3顯示了靜態 CMTI 測量示例，其中包含共模高電平 (CM_H) 和共模低電平 (CM_L) 脈沖。

動態 CMTI 測量在特定動態（開關）事件中發生 CMT 沖擊的時間。當 CMT 沖擊施加到數字 I/O 信號的上升沿或下降沿時，則會發生動態事件。另一個發生情況示例是測試具有高級內部通信功能的高級柵極驅動器中通信通道的穩健性。圖 4展示了第二個示例。

標準仍然相同，輸出應保持在正確的邏輯狀態，作為輸入或跟隨輸入。圖 5顯示了潛在的故障情況，包括：

• 漏脈沖
• 過度的傳播延遲
• 高誤差
• 低誤差
• 輸出閂鎖

測試靜態/動態 CMTI

圖 6顯示了用于測試靜態或動態 CMTI 的設備：

靜態 CMTI：

• 受測器件（DUT = 隔離式柵極驅動器）
• CMT 發生器
• 電池或隔離式電源
• 高性能測量設置

動態 CMTI：

• 受測器件（DUT = 隔離式柵極驅動器）
• CMT 發生器
• 電池或隔離式電源
• 高性能測量設置
• 信號同步
• 隔離式探針

CMTI 測試展示了隔離式柵極驅動器對共模瞬態的抗擾度。CMTI 性能包括對新發布的具有實時可變柵極驅動強度和 16 個 DESAT 閾值設置的 UCC5881-Q1 功能安全合規型可編程隔離式柵極驅動器進行測試。圖 7展示了 UCC5881-Q1 在使用 100 個連續逆變器正弦周期進行 dv/dt 關斷期間具有高性能。

結語

CMTI 在 EV 牽引逆變器的正常工作方面發揮著重要作用。低于標準的共模抗擾度可能會導致誤差，影響系統性能和安全。

為了確保牽引逆變器正常工作，以高開關速度和轉換率驅動高級 SiC FET 的隔離式柵極驅動器必須使用不受 CMTI 影響并在嘈雜的開關環境中表現出穩健性的隔離柵。無論開關頻率如何，都施加相同的 CMTI。隨著瞬態速度的增加，需要更高的 CMTI。

UCC5881-Q1 是適用于牽引逆變器的最新款可編程隔離式柵極驅動器，具有 TI 指定的 150V/ns 最大共模轉換率。

UCC5881-Q1 在應用級靜態和動態 CMTI 測試中表現良好，是 TI 整個 EV 牽引逆變器解決方案中的關鍵組成部分。