隨著電動(dòng)汽車（EV）制造商之間在開(kāi)發(fā)成本更低、行駛里程更長(zhǎng)的車型方面的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，電力系統(tǒng)工程師面臨著減少功率損耗和提高牽引逆變器系統(tǒng)效率的壓力，這可以改善行駛里程并提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。效率與較低的功率損耗有關(guān)，這會(huì)影響熱性能，進(jìn)而影響系統(tǒng)重量、尺寸和成本。隨著具有更高功率水平的逆變器的開(kāi)發(fā)，減少功率損耗的需求將繼續(xù)存在，特別是隨著每輛車的電機(jī)數(shù)量的增加，卡車將遷移到純電動(dòng)汽車。

牽引逆變器傳統(tǒng)上使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）提供了以比IGBT更高的頻率進(jìn)行切換的能力，通過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率，同時(shí)增加功率和電流密度。在 EV 牽引逆變器中驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，特別是在功率水平>100 kW 和 800V 總線下，需要一個(gè)具有可靠隔離技術(shù)、高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度以及故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

圖1所示的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）是牽引逆變器供電解決方案的一個(gè)組成部分。柵極驅(qū)動(dòng)器提供低到高壓（輸入到輸出）電流隔離，驅(qū)動(dòng)基于SiC或基于IGBT的三相電機(jī)半橋的高側(cè)和低側(cè)功率級(jí)，并能夠監(jiān)控和防范各種故障情況。

圖1：EV牽引逆變器框圖

碳化硅MOSFET米勒平臺(tái)和高強(qiáng)度柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

特別是對(duì)于SiC MOSFET，柵極驅(qū)動(dòng)器IC必須將開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗（包括匝斷和關(guān)斷能量）降至最低。MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)包括柵極電荷特性，在該曲線上，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)平坦的水平部分，稱為米勒平臺(tái)，如圖2所示。MOSFET在開(kāi)/關(guān)狀態(tài)之間花費(fèi)的時(shí)間越多，損耗的功率就越多。

圖2：MOSFET岔路特性和米勒平臺(tái)

當(dāng)碳化硅 MOSFET 切換時(shí)，柵極至源極電壓 （V 一般事務(wù) ） 通過(guò)門(mén)到源閾值 （V 研究生院 ），箝位在米勒平臺(tái)電壓 （V） 鉑金 ），并保持在那里，因?yàn)殡姾珊?a href="http://www.nxhydt.com/tags/電容/" target="_blank">電容是固定的。要使 MOSFET 切換，需要添加或刪除足夠的柵極電荷。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器必須以高電流驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極，以增加或移除柵極電荷，從而降低功率損耗。等式1計(jì)算了隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器將添加或移除所需的SiC MOSFET電荷，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：

Q 門(mén) = I 門(mén) × t 西 南部 (1)

我在哪里門(mén)是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 電流和 t西 南部是場(chǎng)效應(yīng)管的通車時(shí)間。

對(duì)于≥150 kW牽引逆變器應(yīng)用，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有>10 A的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以高壓擺率將SiC FET通過(guò)米勒平臺(tái)，并利用更高的開(kāi)關(guān)頻率。碳化硅 FET 具有較低的反向恢復(fù)電荷 （Q 斷續(xù)器 ） 和更穩(wěn)定的過(guò)溫導(dǎo)通電阻 （R 斷續(xù)器（on） ） 可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度。MOSFET在米勒高原停留的時(shí)間越短，功率損耗和自發(fā)熱就越低。

TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高電流、符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 30-A 柵極驅(qū)動(dòng)器，具有基本或增強(qiáng)型隔離功能，并具有串行外設(shè)接口數(shù)字總線，用于與微控制器進(jìn)行故障通信。圖3比較了UCC5870-Q1和競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器之間的碳化硅MOSFET導(dǎo)通。UCC5870-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器的峰值為 39 A，通過(guò)米勒平臺(tái)可保持 30 A 的電流，從而實(shí)現(xiàn)更快的岔通，這是首選結(jié)果。通過(guò)比較藍(lán)色V，更快的轉(zhuǎn)動(dòng)也很明顯門(mén)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的波形斜坡。在米勒平臺(tái)電壓為 10 V 時(shí)，UCC5870-Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 30 A，而競(jìng)爭(zhēng)器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 8 A。

圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與競(jìng)爭(zhēng)器件在打開(kāi) SiC FET 時(shí)

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗貢獻(xiàn)

柵極驅(qū)動(dòng)器米勒平臺(tái)比較也與柵極驅(qū)動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)，如圖4所示。在此比較中，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗差高達(dá)0.6 W。這些損耗會(huì)導(dǎo)致逆變器的整體功率損耗，并加強(qiáng)對(duì)高電流柵極驅(qū)動(dòng)器的需求。

圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

散熱

功率損耗導(dǎo)致溫度升高，這會(huì)使熱管理復(fù)雜化，因?yàn)樾枰崞骰蚋竦挠∷㈦娐钒澹?a target="_blank">PCB）銅層。高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有助于降低柵極驅(qū)動(dòng)器的外殼溫度，從而減少了對(duì)更昂貴的散熱器或額外的PCB接地層的需求，以散熱柵極驅(qū)動(dòng)器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，UCC5870-Q1的運(yùn)行溫度為15°C，因?yàn)樗拈_(kāi)關(guān)損耗較低，通過(guò)米勒平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電流較高。

圖 5：UCC5870-Q1 與驅(qū)動(dòng) SiC FET 的競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器的熱耗散

結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車牽引逆變器的功率增加到150 kW以上，選擇具有最大電流強(qiáng)度的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)米勒平臺(tái)可以減少SiC MOSFET功率損耗，實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高效率，從而改善新的電動(dòng)汽車型號(hào)的驅(qū)動(dòng)范圍。符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 柵極驅(qū)動(dòng)器附帶一系列設(shè)計(jì)支持工具，可幫助實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 黃昊宇