GD3162柵極驅動(dòng)器技術(shù)解析：提供動(dòng)態(tài)柵極強度控制，提升EV牽引逆變器性能！

作為汽車(chē)電動(dòng)牽引逆變器柵極驅動(dòng)器的領(lǐng)先供應商之一，恩智浦不斷推動(dòng)逆變器效率、功能安全和汽車(chē)性能的提升。恩智浦發(fā)布的 GD3162 具有動(dòng)態(tài)柵極驅動(dòng)功能，能夠在日益寬廣的工作范圍內為先進(jìn)功率開(kāi)關(guān)器件 (如碳化硅、氮化鎵等) 提供卓越開(kāi)關(guān)性能。GD3162器件的動(dòng)態(tài)柵極強度控制不僅提高了逆變器的效率，還提供了強大的功能安全解決方案，同時(shí)改進(jìn)了典型硬件設計標準，為功率器件保駕護航。

電池和電動(dòng)牽引電機雖然是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的標志性特征，但這兩者的存在必然要求存在第三個(gè)同等重要的元素：牽引逆變器。牽引逆變器是連接電動(dòng)汽車(chē)電池和電機的關(guān)鍵，它將電池的直流電轉換為驅動(dòng)電機所需的交流電。

盡管電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)已經(jīng)穩固，但其技術(shù)還遠未成熟。在性能、可靠性和功能安全方面，電動(dòng)汽車(chē)仍有很大的提升空間，汽車(chē)業(yè)也在不斷改進(jìn)。雖然人們的注意力多集中在電池和電機技術(shù)上，但最近在牽引逆變器方面的創(chuàng )新同樣意義重大。

近期，牽引逆變器柵極驅動(dòng)器問(wèn)世，首次能夠根據電動(dòng)汽車(chē)的運行狀況在多個(gè)預設電流值之間切換。換言之，這種柵極驅動(dòng)器提供了動(dòng)態(tài)柵極強度控制。恩智浦 GD3162 就是率先采用這項技術(shù)的先驅之一。

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具有動(dòng)態(tài)柵極強度控制的GD3162柵極驅動(dòng)器技術(shù)白皮書(shū)， 點(diǎn)擊下載>>

由于柵極強度具有可調性，逆變器控制算法能夠根據電機的當前狀況優(yōu)化逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)速率，例如在極低環(huán)境溫度下 (可能影響功率器件的開(kāi)關(guān)速率)，或在配備能量回收制動(dòng)功能的車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí) (可能導致母線(xiàn)電壓升高，引發(fā)器件過(guò)沖應力)。

這項技術(shù)的核心優(yōu)勢在于提高了電動(dòng)汽車(chē)的整體效率，不僅如此，恩智浦的創(chuàng )新還提供了強大的功能安全解決方案，同時(shí)改進(jìn)了典型硬件設計標準，為功率器件保駕護航。

汽車(chē)制造商可以靈活選擇如何利用這些效率提升，例如，OEM可以借此適度但切實(shí)地增加汽車(chē)的續航里程。

柵極驅動(dòng)器

電動(dòng)汽車(chē)的牽引逆變器需要滿(mǎn)足多項嚴苛要求：輸出功率范圍廣（從80kw到超過(guò)200kw），耐高溫，同時(shí)還要保持輕巧。

牽引逆變器中的柵極驅動(dòng)器負責驅動(dòng)逆變器的功率器件。傳統上，這些功率器件主要是硅基IGBT，但現在越來(lái)越多地采用碳化硅 (SiC) MOSFET。這些功率器件將電池的直流電轉換為驅動(dòng)電機所需的交流電。

電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器通常包含六個(gè)獨立的柵極驅動(dòng)器IC和六個(gè)功率器件，每?jì)山M對應三相交流電機的一個(gè)相位 (如圖1所示)。柵極驅動(dòng)器的控制，包括柵極強度的調節，通常由牽引逆變器的微控制器來(lái)管理。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的示例原理圖。常見(jiàn)配置使用六個(gè)獨立的柵極驅動(dòng)器IC，每?jì)蓚€(gè)負責典型三相交流電機的一個(gè)相位。柵極驅動(dòng)器直接驅動(dòng)功率器件——IGBT或碳化硅 (SiC) MOSFET，將電池的直流電轉換為驅動(dòng)電機的交流電。傳統柵極驅動(dòng)器通常將開(kāi)關(guān)速率設定為單一特定值。然而，具有動(dòng)態(tài)柵極強度控制的柵極驅動(dòng)器則可以根據電機狀況調整開(kāi)關(guān)速率。

電路的電阻用于可靠地限制給柵極充電或放電時(shí)的峰值電流。傳統做法是，將電阻值固定在一個(gè)特定值，以防止最壞情況下的過(guò)壓，然而這種做法在更為常見(jiàn)的工作條件下可能會(huì )錯失潛在的節能機會(huì )。

動(dòng)態(tài)柵極強度控制

改變柵極開(kāi)關(guān)速度的能力對功率器件本身和電機都有許多潛在的有利影響。

雖然功率開(kāi)關(guān)的特性已被充分研究，但汽車(chē)會(huì )遇到各種影響功率開(kāi)關(guān)電氣性能的情況，包括電機電流的變化、電池/母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，以及功率器件溫度的變化等。

調節柵極驅動(dòng)電流是根據特定條件調整開(kāi)關(guān)事件 (電量)，這對于在各種情況下最大化效率至關(guān)重要 (圖2)。

圖2：不同電流范圍下EON/EOFF的比較。(來(lái)源：恩智浦)

如果能夠根據駕駛條件選擇開(kāi)關(guān)行為， 也就是說(shuō)，如果動(dòng)態(tài)柵極強度控制成為一種可選項，逆變器 (進(jìn)而整個(gè)車(chē)輛) 的性能將會(huì )更加高效。

恩智浦通過(guò)在其柵極驅動(dòng)器中集成額外的引腳，實(shí)現了這一選項。恩智浦GD3162柵極驅動(dòng)器為開(kāi)通和關(guān)閉路徑各設置了兩個(gè)可獨立控制的引腳。它提供了大約10A、20A的輸出選擇，以及將兩者結合使用以提供高達約30A輸出的第三種選擇。

為什么說(shuō)“大約”?實(shí)際上，OEM或系統設計人員可能希望包含一個(gè)限功率電阻，以根據OEM的偏好和其他系統限制，將電流值限制在略低于10A、20A或30A。

柵極驅動(dòng)強度可以通過(guò)數字輸入引腳或SPI命令來(lái)控制 (圖3)。無(wú)論采用哪種方式，客戶(hù)都可以根據需求選擇驅動(dòng)功率器件的強度。憑借如此寬泛的可選驅動(dòng)電流范圍，GD3162甚至能夠驅動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的器件或芯片。

圖3：GD3162的應用框圖，其中包含兩組獨立的開(kāi)通和關(guān)閉電阻。柵極驅動(dòng)強度可以通過(guò)SPI命令或GPIO引腳進(jìn)行選擇。

使用GD3162，所需的柵極驅動(dòng)強度可以在電機旋轉過(guò)程中實(shí)時(shí)命令和執行。

圖4：高柵極驅動(dòng)強度與低柵極驅動(dòng)強度下開(kāi)關(guān)事件的比較。GD3162能夠通過(guò)ISEN / COMP引腳從高壓側影響柵極驅動(dòng)強度。

提升效率

功率器件可能因電壓應力過(guò)高而受到損壞。盡管汽車(chē)電子產(chǎn)品的額定工作溫度范圍很寬，但只要有可能，仍然建議盡量減輕汽車(chē)集成電路 (包括日益先進(jìn)的柵極驅動(dòng)器) 的熱負荷。

柵極驅動(dòng)電阻的設計通常始于對最壞情況 (如最大負載、最高電壓) 的研究。目標是提供足夠的電阻，以在這些情況下提供保護。

這確實(shí)最大限度地減少了潛在損害，但最壞情況本質(zhì)上是非典型的。添加提供動(dòng)態(tài)柵極強度控制的柵極驅動(dòng)器 (如恩智浦的GD3162) 創(chuàng )造了一種選擇，可以在更注重典型 (較輕) 負載條件的柵極驅動(dòng)強度設置下運行。

系統持續評估多個(gè)系統因素 (電流、電壓、溫度等)，始終控制柵極驅動(dòng)強度，在OEM指定的最適合典型條件的設置下運行，當出現非典型情況時(shí)自動(dòng)切換到更合適的設置，并在條件恢復正常時(shí)動(dòng)態(tài)地切換回來(lái)。

GD3162為系統集成商提供了更多控制選項，以最佳方式保護功率器件。在更適合典型運行模式下的效率提升可能會(huì )非常顯著(zhù)。

隨著(zhù)柵極驅動(dòng)器效率的提高，冷卻需求也得以緩解。因此，系統設計人員能夠采用更小的冷卻系統，這意味著(zhù)整個(gè)逆變器的尺寸和重量都可以減小。減少整車(chē)尺寸和重量最終可能對續航里程產(chǎn)生積極影響。

功能安全和可靠性

牽引逆變器是一個(gè)安全關(guān)鍵型應用，通常需要滿(mǎn)足ASIL D級的要求。柵極驅動(dòng)器集成電路必須促進(jìn)牽引逆變器提升功能安全目標。GD3162為ASIL C/D級，可滿(mǎn)足汽車(chē)應用的嚴格要求，符合AEC-Q100的1級認證。

GD3162采用兩個(gè)引腳分別進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)閉，防止柵極驅動(dòng)電阻出現單點(diǎn)故障。該器件還能報告指令和接收到的柵極驅動(dòng)強度，防止潛在故障或柵極驅動(dòng)強度指令的實(shí)時(shí)故障。

恩智浦牽引逆變器解決方案

GD3162是一款先進(jìn)的電流隔離單通道柵極驅動(dòng)器，專(zhuān)為驅動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)、混動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)等中牽引逆變器的最新SiC和IGBT模塊而設計。

GD3162提供可調節的動(dòng)態(tài)柵極強度控制驅動(dòng)功能，具有強大的效率和安全優(yōu)勢。此外，它還具備先進(jìn)的可編程保護功能，能自動(dòng)化管理故障情況，并通過(guò)中斷引腳和SPI報告功率器件和柵極驅動(dòng)器的狀況。

GD316專(zhuān)為高功能安全等級系統 (ASILC/D) 而設計，可滿(mǎn)足汽車(chē)應用的嚴格要求，符合AEC-Q100的1級認證。

恩智浦的電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器系統解決方案包括多核鎖步MCU、安全SBC、CAN、以太網(wǎng)PHY和高壓柵極驅動(dòng)器，高效可靠地控制向牽引電機的功率轉換。

恩智浦的系統解決方案提供了一套豐富的電機控制軟件包，與優(yōu)化的硬件配合。

該電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器系統還提供對高功率開(kāi)關(guān)的精確控制、監測和保護，以提高能效和可靠性。系統可以精確高效地控制電機速度和扭矩，符合ISO26262的ASIL D級要求。

為了支持客戶(hù)開(kāi)發(fā)牽引逆變器并加速產(chǎn)品上市時(shí)間，恩智浦提供一個(gè)易于使用的電動(dòng)汽車(chē)功率逆變器控制參考平臺，配有系統使能軟件。設計平臺包括原理圖、物料清單、布局文件和安全文檔，可用于IGBT或SiC MOSFET模塊。

用戶(hù)可以使用 FRDMGD3162HBIEVM評估板 (EVB) 全面探索GD3162的功能。通過(guò)更換評估板上的元器件，用戶(hù)可以評估不同電阻值的效果，并測試 GD3162各種柵極驅動(dòng)強度的影響。

創(chuàng )新的柵極驅動(dòng)IC

具有動(dòng)態(tài)柵極強度控制的GD3162是創(chuàng )新的柵極驅動(dòng)集成電路 (IC)，為汽車(chē)OEM提供了一個(gè)令人振奮的新選擇，可顯著(zhù)提升牽引逆變器的性能。其動(dòng)態(tài)柵極驅動(dòng)功能可在日益寬廣的工作范圍內為先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件 (如SiC、GaN) 提供卓越的開(kāi)關(guān)性能。

GD3162的動(dòng)態(tài)柵極強度控制提高了逆變器效率，提供了強大的功能安全解決方案，并改進(jìn)了典型的硬件設計標準，為功率器件保駕護航。