5 絶縁型ゲート・ドライバ

テキサス・インスツルメンツのゲート・ドライバ絶縁は最大 5.7kV_RMS で、感電からの保護を可能にすると同時に、より高い動作電圧、より広い沿面距離と空間距離を実現し、システムの信頼性を向上します。絶縁型ゲート・ドライバには、スマート・ドライバ UCC21750-Q1 ファミリとセーフティ・ドライバ UCC5870-Q1 ファミリの 2 つの主要なファミリがあります。UCC21750-Q1 ファミリには、高速過電流および短絡検出、シャント電流センシングのサポート、フォルト報告、アクティブ・ミラー・クランプ、入力および出力側電源の低電圧誤動作防止検出など、トラクション・インバータのパワー・モジュール用の保護機能が搭載されています。絶縁型のアナログからPWMへのセンサにより、温度または電圧のセンシングが容易になります。

UCC5870-Q1 ドライバ・ファミリの主な機能は次のとおりです。

• 機能安全に準拠した絶縁型シングル・チャネル・ゲート・ドライバで、最大 1kV_RMS の動作電圧と 40 年を超える絶縁バリア寿命をサポートし、部品間スキューを低減し、100V/ns を超える同相ノイズ耐性 (CMTI) を実現
• 30A の高いピーク・ドライブ強度により電力スイッチング損失を最小化し、ドライブ回路のバッファ回路を取り除くことでコストを削減
• パワー・モジュールの温度を監視し、特定の温度制限までの動作を可能にする温度センサにより、広い動作範囲をサポート
• ミラー・クランプにより誤ターンオンを防止し、効率目標を達成するために必要な速度でスイッチを切り替えることが可能

図 5-1 および図 5-2 に、UCC5870-Q1 の 30A のドライブ強度と、以下のテスト条件での競合デバイスを示します。

• VCC2–Vee2 = 23V
• R_gon = R_goff = 0Ω
• 負荷容量 = 1μF

トラクション・インバータの効率を改善し、EMI を低減する 1 つの方法は、ゲート・ドライブ出力を調整してスルーレートを制御することです。その結果、温度、負荷、電圧などのさまざまな条件でスイッチング速度が変化します。たとえば、バッテリ電圧を消耗する場合、過渡電圧 (dv/dt) は自然に小さくなり、ゲート・ドライブ出力を調整してスイッチをより高速に遷移させることができます。

図 5-3 および図 5-4 に、UCC5870-Q1に基づく可変ゲート・ドライブの実装を示します。図 5-3 に設計図を示し、図 5-4 に WolfSpeed 社の XM3 ハーフ・ブリッジ・パワー・モジュール・ファミリに接続されている設計ボードを示します。

図 5-5 および図 5-6 に、ダブル・パルス・テスト波形を示します。立ち上がりエッジの平均スイッチング dv/dt 速度が 4.6kV/μs から 21kV/μs に増加しました。 立ち下がりエッジの平均スイッチング dv/dt 速度が 3.8kV/μs から 13.5kV/μs に増加しました。

以下の両方の画像は、800V バスの下でダブル・パルス・テスト波形を使用して収集したものです。

表 5-1 に、400V のバス電圧下での、弱い駆動電流 (5.5Ω のゲート抵抗) と強い駆動電流 (0.5Ω のゲート抵抗) の間のスイッチング・エネルギーの比較を示します。

表 5-2 に、800V バス電圧での、弱い駆動電流と強い駆動電流の間のスイッチング・エネルギーの比較を示します。