如何通過(guò)實(shí)時(shí)可變柵極驅動(dòng)強度更大限度地提高 SiC 牽引逆變器的效率

牽引逆變器是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中消耗電池電量的主要零部件，功率級別可達 150kW 或更高。牽引逆變器的效率和性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)單次充電后的行駛里程。因此，為了構建下一代牽引逆變器系統，業(yè)界廣泛采用碳化硅 (SiC) 場(chǎng)效應晶體管 (FET) 來(lái)實(shí)現更高的可靠性、效率和功率密度。

圖 1 所示的隔離式柵極驅動(dòng)器集成電路 (IC) 提供從低電壓到高電壓（輸入到輸出）的電隔離，驅動(dòng)逆變器每相的高邊和低邊功率模塊，并監測和保護逆變器免受各種故障的影響。根據汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL) 功能安全要求，柵極驅動(dòng)器 IC 必須符合 ISO26262 標準，確保對單一故障和潛在故障的故障檢測率分別為 ≥99% 和 ≥90%。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹實(shí)時(shí)可變柵極驅動(dòng)強度的技術(shù)優(yōu)勢，這項新功能可讓設計人員優(yōu)化系統參數，例如效率（影響電動(dòng)汽車(chē)行駛里程）和 SiC 過(guò)沖（影響可靠性）。

圖 1：電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器框圖

通過(guò)實(shí)時(shí)可變柵極驅動(dòng)強度提高效率

柵極驅動(dòng)器 IC 必須盡可能高效地導通 SiC FET，同時(shí)盡可能降低開(kāi)關(guān)損耗?？刂坪透淖儢艠O驅動(dòng)電流強度的能力可降低開(kāi)關(guān)損耗，但代價(jià)是在開(kāi)關(guān)期間增加了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的瞬態(tài)過(guò)沖。改變柵極驅動(dòng)電流可控制 SiC 的開(kāi)關(guān)速度，如圖 2 所示。

圖 2：通過(guò)改變柵極驅動(dòng)器 IC 驅動(dòng)強度控制 SiC 開(kāi)關(guān)速度

柵極驅動(dòng)電流的實(shí)時(shí)可變功能可實(shí)現瞬態(tài)過(guò)沖管理以及整個(gè)高電壓電池能量周期的設計優(yōu)化。充滿(mǎn)電且荷電狀態(tài)為 100% 至 80% 的電池應使用較低柵極驅動(dòng)強度，將 SiC 電壓過(guò)沖保持在限制范圍內。隨著(zhù)電池電量從 80% 降至 20%，采用較高柵極驅動(dòng)強度可降低開(kāi)關(guān)損耗并提高牽引逆變器效率，在充電周期 75% 的時(shí)間內都屬于這種情況，因此對系統效率的提升非常明顯。圖 3 展示了典型的瞬態(tài)過(guò)沖與電池峰值電壓和電量狀態(tài)的關(guān)系。

圖 3：瞬態(tài)過(guò)沖與電池峰值電壓和電量狀態(tài)的關(guān)系

UCC5880-Q1 是一款最大 20A 的 SiC ，具有多種保護功能，適用于汽車(chē)應用中的牽引逆變器。其柵極驅動(dòng)強度介于 5A 至 20A 之間，并且可通過(guò)一個(gè) 4MHz 雙向串行外設接口SPI總線(xiàn)或三個(gè)數字輸入引腳進(jìn)行調整。圖 4 展示了實(shí)現可變柵極驅動(dòng)強度的雙分離輸出的實(shí)現方案。

圖 4：UCC5880-Q1 的雙路輸出分離柵極驅動(dòng)結構

使用 DPT 評估功率級開(kāi)關(guān)

評估牽引逆變器功率級開(kāi)關(guān)性能的標準方法是雙脈沖測試 (DPT)，它可以在不同電流下閉合和斷開(kāi) SiC 功率開(kāi)關(guān)。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以控制和測量工作條件下的 SiC 開(kāi)啟和關(guān)斷波形，從而有助于評估效率和 SiC 過(guò)沖，后者會(huì )影響可靠性。圖 5 展示了 UCC5880-Q1 低邊 DPT 設置的可變強度柵極驅動(dòng)器和 SiC 半橋的連接圖。

圖 5：低邊 DPT 框圖

表 1 的結果展示了具有可變強度的 SiC 如何幫助控制過(guò)沖，同時(shí)更大限度地提高效率和優(yōu)化熱性能。EON 和 EOFF 分別是開(kāi)啟和關(guān)斷開(kāi)關(guān)能量損耗。VDS,MAX 是最大電壓過(guò)沖，TOFF 和 TON dv/dt 分別是 VDS 在開(kāi)啟和關(guān)斷期間的開(kāi)關(guān)速度。

表 1：DPT 摘要（800V 總線(xiàn)，540A 負載電流，從左到右依次為最高到最低柵極驅動(dòng)）

緩解過(guò)沖

圖 6 的波形展示了可變柵極驅動(dòng)強度對 SiC 過(guò)沖的影響，因為 UCC5880-Q1 柵極驅動(dòng)電阻和驅動(dòng)強度是實(shí)時(shí)控制的。使用較低的柵極驅動(dòng)（SiC 關(guān)斷）可減輕功率級過(guò)沖。

(a)

(b)

圖 6：實(shí)時(shí)可變柵極驅動(dòng)強度對 SiC 過(guò)沖的影響：SiC 強驅動(dòng)關(guān)斷 (a)；SiC 弱驅動(dòng)關(guān)斷 (b)

表 2 列出了用于比較的實(shí)際測量值。根據系統寄生效應和噪聲控制目標，您可以相應地在過(guò)沖、dv/dt 和開(kāi)關(guān)損耗之間進(jìn)行權衡。

表 2：柵極驅動(dòng)強度與 SiC FET 壓擺率、過(guò)沖結果和能量損耗間的關(guān)系

延長(cháng)行駛里程

使用 UCC5880-Q1 的強大柵極驅動(dòng)控制功能來(lái)降低 SiC 開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，效率提升可以非常顯著(zhù)，具體取決于牽引逆變器的功率級別。如圖 7 所示，使用全球統一輕型汽車(chē)測試程序 (WLPT) 和實(shí)際駕駛計程速度和加速度進(jìn)行建模表明，SiC 功率級效率提升可高達 2%，相當于每塊電池增加 11 公里的行駛里程。這 11 公里可能決定著(zhù)消費者是找到充電樁還是被困在路上。

圖 7：WLPT 和真實(shí)計程速度和加速度直方圖

UCC5880-Q1 還包括 SiC 閾值監測功能，可在系統生命周期內電動(dòng)汽車(chē)每次按鍵啟動(dòng)時(shí)執行閾值電壓測量，并向微控制器提供電源開(kāi)關(guān)數據，用于預測電源開(kāi)關(guān)故障。

結語(yǔ)

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的功率級別接近 300kW，人們迫切需要更高的可靠性和更高的效率。選擇具有實(shí)時(shí)可變柵極驅動(dòng)強度的 SiC 有助于實(shí)現上述目標。UCC5880-Q1 附帶設計支持工具，包括評估板、用戶(hù)指南和功能安全手冊，可協(xié)助您進(jìn)行設計。