【導讀】隨著電動汽車 (EV) 制造商競相開發(fā)成本更低、行駛里程更長的車型，電子工程師面臨降低牽引逆變器功率損耗和提高系統(tǒng)效率的壓力，這樣可以延長行駛里程并在市場中獲得競爭優(yōu)勢。功率損耗越低則效率越高，因為它會影響系統(tǒng)熱性能，進而影響系統(tǒng)重量、尺寸和成本。隨著開發(fā)的逆變器功率級別更高，每輛汽車的電機數(shù)量增加，以及卡車朝著純電動的方向發(fā)展，人們將持續(xù)要求降低系統(tǒng)功率損耗。
過去，牽引逆變器使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。然而，隨著半導體技術的進步，碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管具有比IGBT更高的開關頻率，不僅可以通過降低電阻和開關損耗提高效率，還可以增加功率和電流密度。在EV牽引逆變器中驅動 SiC，尤其是在功率級別>100kW和使用800V電壓母線的情況下，系統(tǒng)需要一款具有可靠隔離技術、高驅動能力以及故障監(jiān)控和保護功能的隔離式柵極驅動器。
牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅動器
圖1所示的隔離式柵極驅動器集成電路是牽引逆變器電力輸送解決方案不可或缺的一部分。柵極驅動器提供從低壓到高壓（輸入到輸出）的電隔離，驅動基于SiC或IGBT的三相電機半橋的高側和低側功率級，并能夠在發(fā)生各種故障時實現(xiàn)監(jiān)控和保護。
圖 1：EV 牽引逆變器方框圖
SiC米勒平臺和高強度柵極驅動器的優(yōu)勢
針對SiC，柵極驅動器必須盡可能降低包括開啟和關斷能量在內的導通和關斷損耗。MOSFET 數(shù)據(jù)表包含柵極電荷特性，在開通曲線上，有一部分區(qū)域平坦且水平，稱為米勒平臺，如圖2所示。MOSFET在導通和關斷狀態(tài)間耗費的時間越長，損耗的功率就越多。
圖 2：MOSFET 導通特性和米勒平臺
當SiC MOSFET開關時，柵源電壓 (VGS) 通過柵源閾值 (VGSTH)，被鉗位于米勒平臺電壓 (Vplt) 保持不變，因為電荷和電容是固定的。要使MOSFET開關，需要增加或去除足夠的柵極電荷。隔離柵極驅動器必須以大電流驅動MOSFET柵極，從而增加或去除柵極電荷，進而減少功率損耗。通過公式1對隔離柵極驅動器將增加或去除的所需SiC MOSFET電荷進行了計算，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：
其中，IGATE是隔離柵極驅動器IC電流，tSW是MOSFET的導通時間。
對于≥150kW的牽引逆變器應用，隔離柵極驅動器應具有> 10A的驅動能力，這樣可在米勒平臺區(qū)域內以高壓擺率對SiC MOSFET進行開關，同時達到更高的開關頻率。SiC MOSFET具有較低的反向恢復電荷 (Qrr) 和在高溫下更穩(wěn)定的導通電阻 (RDS(on))，可實現(xiàn)更高的開關速度。MOSFET在米勒平臺停留的時間越短，功率損耗和自發(fā)熱就越低。
TI的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1是高驅動電流、符合TI功能安全標準的30A柵極驅動器，具有基本隔離或增強隔離等級功能，以及用于與微控制器進行故障通信的SPI串行外設接口數(shù)字總線。圖3對UCC5870-Q1和一同類競爭柵極驅動器間的SiC MOSFET導通情況進行了比較。UCC5870-Q1柵極驅動器的峰值電流為39A，并在米勒平臺保持30A的電流，導通速度非?？?。通過比較兩個驅動器之間的藍色VGATE波形斜率，也可明顯看出其導通速度更快。米勒平臺電壓為10V時，UCC5870-Q1的柵極驅動器電流為 30A，而同類競爭器件的柵極驅動器電流為8A。
圖 3：比較TI的隔離式柵極驅動器與同類競爭器件在導通SiC MOSFET方面的情況
隔離柵極驅動器的功率損耗來源
對柵極驅動器米勒平臺的比較也涉及柵極驅動器中的開關損耗，如圖4所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，驅動器的開關損耗差異高達0.6W。開關損耗是逆變器總體功率損耗的重要部分，因此，很有必要使用大電流柵極驅動器。
圖 4：柵極驅動器開關損耗與開關頻率之間的關系
熱耗散
功率損耗會導致溫度升高，因此需要使用外部散熱器或更厚的印刷電路板 (PCB) 銅層，這會使系統(tǒng)熱管理問題變得更加復雜。高驅動力有助于降低柵極驅動器的管殼溫度，因此不需要成本很高的散熱器或額外的PCB接地層來降低柵極驅動器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，由于UCC5870-Q1的開關損耗較低，且在米勒平臺的驅動電流較高，因此其運行溫度降低了15℃。
圖 5：UCC5870-Q1和同類競爭柵極驅動器在驅動SiC FET方面的熱耗散
結語
隨著EV牽引逆變器的功率增至150kW以上，選擇在米勒平臺區(qū)域具有超高驅動能力的隔離式柵極驅動器可減少SiC MOSFET的功率損耗，實現(xiàn)更快的開關頻率，從而提高效率，增加全新EV車型的行駛里程。同時，TI符合功能安全標準的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1 30A 柵極驅動器提供了大量設計支持工具來幫助簡化設計。
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