使用TI功能安全柵極驅動(dòng)器提高SiC牽引逆變器的效率

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 制造商競相開(kāi)發(fā)成本更低、行駛里程更長(cháng)的車(chē)型，電子工程師面臨降低牽引逆變器功率損耗和提高系統效率的壓力，這樣可以延長(cháng)行駛里程并在市場(chǎng)中獲得競爭優(yōu)勢。功率損耗越低則效率越高，因為它會(huì )影響系統熱性能，進(jìn)而影響系統重量、尺寸和成本。隨著(zhù)開(kāi)發(fā)的逆變器功率級別更高，每輛汽車(chē)的電機數量增加，以及卡車(chē)朝著(zhù)純電動(dòng)的方向發(fā)展，人們將持續要求降低系統功率損耗。

過(guò)去，牽引逆變器使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。然而，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管具有比IGBT更高的開(kāi)關(guān)頻率，不僅可以通過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)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(dòng) SiC，尤其是在功率級別>100kW和使用800V電壓母線(xiàn)的情況下，系統需要一款具有可靠隔離技術(shù)、高驅動(dòng)能力以及故障監控和保護功能的隔離式柵極驅動(dòng)器。

牽引逆變器系統中的隔離式柵極驅動(dòng)器

圖1所示的隔離式柵極驅動(dòng)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(dòng)器提供從低壓到高壓（輸入到輸出）的電隔離，驅動(dòng)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(shí)實(shí)現監控和保護。

圖 1：EV 牽引逆變器方框圖

SiC米勒平臺和高強度柵極驅動(dòng)器的優(yōu)勢

針對SiC，柵極驅動(dòng)器必須盡可能降低包括開(kāi)啟和關(guān)斷能量在內的導通和關(guān)斷損耗。MOSFET 數據表包含柵極電荷特性，在開(kāi)通曲線(xiàn)上，有一部分區域平坦且水平，稱(chēng)為米勒平臺，如圖2所示。MOSFET在導通和關(guān)斷狀態(tài)間耗費的時(shí)間越長(cháng)，損耗的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導通特性和米勒平臺

當SiC MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)，柵源電壓 (V_GS) 通過(guò)柵源閾值 (V_GSTH)，被鉗位于米勒平臺電壓 (V_plt) 保持不變，因為電荷和電容是固定的。要使MOSFET開(kāi)關(guān)，需要增加或去除足夠的柵極電荷。隔離柵極驅動(dòng)器必須以大電流驅動(dòng)MOSFET柵極，從而增加或去除柵極電荷，進(jìn)而減少功率損耗。通過(guò)公式1對隔離柵極驅動(dòng)器將增加或去除的所需SiC MOSFET電荷進(jìn)行了計算，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：

Q_GATE = I_GATE × t_SW                            (1)

其中，I_GATE是隔離柵極驅動(dòng)器IC電流，t_SW是MOSFET的導通時(shí)間。

對于≥150kW的牽引逆變器應用，隔離柵極驅動(dòng)器應具有> 10A的驅動(dòng)能力，這樣可在米勒平臺區域內以高壓擺率對SiC MOSFET進(jìn)行開(kāi)關(guān)，同時(shí)達到更高的開(kāi)關(guān)頻率。SiC MOSFET具有較低的反向恢復電荷 (Q_rr) 和在高溫下更穩定的導通電阻 (R_DS(on))，可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)速度。MOSFET在米勒平臺停留的時(shí)間越短，功率損耗和自發(fā)熱就越低。

TI的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1是高驅動(dòng)電流、符合TI功能安全標準的30A柵極驅動(dòng)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(jìn)行故障通信的SPI串行外設接口數字總線(xiàn)。圖3對UCC5870-Q1和一同類(lèi)競爭柵極驅動(dòng)器間的SiC MOSFET導通情況進(jìn)行了比較。UCC5870-Q1柵極驅動(dòng)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(guò)比較兩個(gè)驅動(dòng)器之間的藍色V_GATE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(shí)，UCC5870-Q1的柵極驅動(dòng)器電流為 30A，而同類(lèi)競爭器件的柵極驅動(dòng)器電流為8A。

圖 3：比較TI的隔離式柵極驅動(dòng)器與同類(lèi)競爭器件在導通SiC MOSFET方面的情況

隔離柵極驅動(dòng)器的功率損耗來(lái)源

對柵極驅動(dòng)器米勒平臺的比較也涉及柵極驅動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)損耗，如圖4所示。通過(guò)比較發(fā)現，驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)損耗差異高達0.6W。開(kāi)關(guān)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(dòng)器。 

圖 4：柵極驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間的關(guān)系

熱耗散

功率損耗會(huì )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(huì )使系統熱管理問(wèn)題變得更加復雜。高驅動(dòng)力有助于降低柵極驅動(dòng)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(lái)降低柵極驅動(dòng)器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，由于UCC5870-Q1的開(kāi)關(guān)損耗較低，且在米勒平臺的驅動(dòng)電流較高，因此其運行溫度降低了15℃。

圖 5：UCC5870-Q1和同類(lèi)競爭柵極驅動(dòng)器在驅動(dòng)SiC FET方面的熱耗散

結語(yǔ)

隨著(zhù)EV牽引逆變器的功率增至150kW以上，選擇在米勒平臺區域具有超高驅動(dòng)能力的隔離式柵極驅動(dòng)器可減少SiC MOSFET的功率損耗，實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高效率，增加全新EV車(chē)型的行駛里程。同時(shí)，TI符合功能安全標準的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1 30A 柵極驅動(dòng)器提供了大量設計支持工具來(lái)幫助簡(jiǎn)化設計。

其他資源

● 要了解如何驅動(dòng)IGBT和SiC開(kāi)關(guān)管，請參閱電子書(shū)“IGBT和SiC柵極驅動(dòng)器基礎知識”。

● 下載符合國際標準化組織26262標準的UCC5870-Q1柵極驅動(dòng)器數據表。

● 要了解如何設計牽引逆變器系統中的隔離式柵極驅動(dòng)器，請查看應用報告“使用隔離式IGBT和SiC柵極驅動(dòng)器的HEV/EV牽引逆變器設計指南”。

● 要了解如何設計采用分布式架構的牽引逆變器，請閱讀技術(shù)文章“通過(guò)分布式架構驅動(dòng)下一代電動(dòng)汽車(chē)系統”。