降低碳化硅Sic牽引逆變器的功率損耗和散熱

來(lái)源： 碳化硅研習社

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)（EV）制造商之間在開(kāi)發(fā)成本更低、行駛里程更長(cháng)的車(chē)型方面的競爭日益激烈，電力系統工程師面臨著(zhù)減少功率損耗和提高牽引逆變器系統效率的壓力，這可以提高行駛里程并提供競爭優(yōu)勢。效率與較低的功率損耗有關(guān)，這會(huì )影響熱性能，進(jìn)而影響系統重量、尺寸和成本。隨著(zhù)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存在，特別是隨著(zhù)每輛車(chē)電機數量的增加以及卡車(chē)向純電動(dòng)汽車(chē)的遷移。

牽引逆變器傳統上使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。但隨著(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（MOSFET） 能夠以比 IGBT 更高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，通過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率，同時(shí)提高功率和電流密度。在電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器中驅動(dòng) SiC MOSFET，尤其是在功率水平 >100 kW 和 800V 總線(xiàn)下，需要具有可靠隔離技術(shù)、高驅動(dòng)強度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（IC）是牽引逆變器供電解決方案的組成部分。柵極驅動(dòng)器提供低到高壓（輸入到輸出）電流隔離，驅動(dòng)基于 SiC 或 IGBT 的三相電機半橋的高側和低側功率級，并能夠監控和保護各種故障情況。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器框圖

- 碳化硅 MOSFET 米勒平臺和高強度柵極驅動(dòng)器的優(yōu)勢

特別是對于SiC MOSFET，柵極驅動(dòng)器IC必須將開(kāi)關(guān)和傳導損耗（包括導通和關(guān)斷能量）降至最低。MOSFET數據手冊包括柵極電荷特性，在該曲線(xiàn)上，您會(huì )發(fā)現一個(gè)平坦的水平部分，稱(chēng)為米勒平臺，如圖2所示。MOSFET在導通和關(guān)斷狀態(tài)之間花費的時(shí)間越長(cháng)，損失的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導通特性和米勒高原

當碳化硅MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)，柵源電壓（V ）通過(guò)門(mén)到源閾值（V ），鉗位在米勒平臺電壓（V），并且停留在那里，因為電荷和電容是固定的。讓 MOSFET 開(kāi)關(guān)需要增加或消除足夠的柵極電荷。隔離式柵極驅動(dòng)器必須以高電流驅動(dòng)MOSFET柵極，以便增加或消除柵極電荷，以減少功率損耗。計算隔離式柵極驅動(dòng)器將增加或消除所需的SiC MOSFET電荷，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比。 隔離式柵極驅動(dòng)器IC的電流和t是 MOSFET 的導通時(shí)間。

對于 ≥150kW 牽引逆變器應用，隔離式柵極驅動(dòng)器應具有 >10 A 的驅動(dòng)強度，以便以高壓擺率將 SiC FET 切換通過(guò)米勒平臺，并利用更高的開(kāi)關(guān)頻率。碳化硅場(chǎng)效應晶體管具有較低的反向恢復電荷（Q）和更穩定的溫度導通電阻（R ），可實(shí)現更高的開(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 功能安全標準的 30A 柵極驅動(dòng)器，具有基本或增強隔離和串行外設接口數字總線(xiàn)，用于與微控制器進(jìn)行故障通信。圖 3 比較了 UCC5870-Q1 和競爭柵極驅動(dòng)器之間的 SiC MOSFET 導通。UCC5870-Q1 柵極驅動(dòng)器的峰值為 39 A，并通過(guò)米勒平臺保持 30 A 的電流，從而實(shí)現更快的導通，這是首選結果。通過(guò)比較藍色V，更快的開(kāi)啟速度也很明顯。兩個(gè)驅動(dòng)器之間的波形斜坡。在 10 V 的米勒平臺電壓下，UCC5870-Q1 的柵極驅動(dòng)器電流為 30 A，而競爭器件的柵極驅動(dòng)器電流為 8 A。

圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅動(dòng)器與競爭器件打開(kāi) SiC FET 時(shí)的比較

- 隔離式柵極驅動(dòng)器的功率損耗貢獻

柵極驅動(dòng)器-米勒平臺比較還與柵極驅動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)，如圖4所示。在此比較中，驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗差高達0.6 W。這些損耗會(huì )導致逆變器的總功率損耗，并加強對大電流柵極驅動(dòng)器的需求。

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

- 散熱

功率損耗會(huì )導致溫度升高，由于需要散熱器或更厚的印刷電路板 （PCB） 銅層，可能會(huì )使熱管理復雜化。高驅動(dòng)強度有助于降低柵極驅動(dòng)器的外殼溫度，從而減少對更昂貴的散熱器或額外的PCB接地層的需求，以降低柵極驅動(dòng)器的IC溫度。在圖 5 所示的熱圖像中，UCC5870-Q1 的運行溫度降低了 15°C，因為它具有較低的開(kāi)關(guān)損耗和通過(guò)米勒平臺的較高驅動(dòng)電流。

圖 5：UCC5870-Q1 的散熱與驅動(dòng) SiC FET 的競爭柵極驅動(dòng)器的比較

- 結論

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的功率增加到 150 kW 以上，通過(guò)米勒平臺選擇具有最大電流強度的隔離式柵極驅動(dòng)器可以降低 SiC MOSFET 功率損耗，實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高效率，從而改善新的電動(dòng)汽車(chē)型號的驅動(dòng)范圍。符合 TI 功能安全標準的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 柵極驅動(dòng)器附帶大量設計支持工具，可幫助實(shí)現。