使用TI功能安全柵極驅(qū)動器增加HEV/EV牽引逆變器的效率

隨著電動汽車 (EV) 制造商競相開發(fā)成本更低、行駛里程更長的車型，電子工程師面臨降低牽引逆變器功率損耗和提高系統(tǒng)效率的壓力，這樣可以延長行駛里程并在市場中獲得競爭優(yōu)勢。功率損耗越低則效率越高，因為它會影響系統(tǒng)熱性能，進而影響系統(tǒng)重量、尺寸和成本。隨著開發(fā)的逆變器功率級別更高，每輛汽車的電機數(shù)量增加，以及卡車朝著純電動的方向發(fā)展，人們將持續(xù)要求降低系統(tǒng)功率損耗。

過去，牽引逆變器使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。然而，隨著半導體技術(shù)的進步，碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管具有比IGBT更高的開關頻率，不僅可以通過降低電阻和開關損耗提高效率，還可以增加功率和電流密度。在EV牽引逆變器中驅(qū)動 SiC，尤其是在功率級別>100kW和使用800V電壓母線的情況下，系統(tǒng)需要一款具有可靠隔離技術(shù)、高驅(qū)動能力以及故障監(jiān)控和保護功能的隔離式柵極驅(qū)動器。

牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅(qū)動器

圖1所示的隔離式柵極驅(qū)動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(qū)動器提供從低壓到高壓（輸入到輸出）的電隔離，驅(qū)動基于SiC或IGBT的三相電機半橋的高側(cè)和低側(cè)功率級，并能夠在發(fā)生各種故障時實現(xiàn)監(jiān)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(qū)動器的優(yōu)勢

針對SiC，柵極驅(qū)動器必須盡可能降低包括開啟和關斷能量在內(nèi)的導通和關斷損耗。MOSFET 數(shù)據(jù)表包含柵極電荷特性，在開通曲線上，有一部分區(qū)域平坦且水平，稱為米勒平臺，如圖2所示。MOSFET在導通和關斷狀態(tài)間耗費的時間越長，損耗的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導通特性和米勒平臺

當SiC MOSFET開關時，柵源電壓 (VGS) 通過柵源閾值 (VGSTH)，被鉗位于米勒平臺電壓 (Vplt) 保持不變，因為電荷和電容是固定的。要使MOSFET開關，需要增加或去除足夠的柵極電荷。隔離柵極驅(qū)動器必須以大電流驅(qū)動MOSFET柵極，從而增加或去除柵極電荷，進而減少功率損耗。通過公式1對隔離柵極驅(qū)動器將增加或去除的所需SiC MOSFET電荷進行了計算，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：

其中，IGATE是隔離柵極驅(qū)動器IC電流，tSW是MOSFET的導通時間。

對于≥150kW的牽引逆變器應用，隔離柵極驅(qū)動器應具有> 10A的驅(qū)動能力，這樣可在米勒平臺區(qū)域內(nèi)以高壓擺率對SiC MOSFET進行開關，同時達到更高的開關頻率。SiC MOSFET具有較低的反向恢復電荷 (Qrr) 和在高溫下更穩(wěn)定的導通電阻 (RDS(on))，可實現(xiàn)更高的開關速度。MOSFET在米勒平臺停留的時間越短，功率損耗和自發(fā)熱就越低。

TI的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1是高驅(qū)動電流、符合TI功能安全標準的30A柵極驅(qū)動器，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行故障通信的SPI串行外設接口數(shù)字總線。圖3對UCC5870-Q1和一同類競爭柵極驅(qū)動器間的SiC MOSFET導通情況進行了比較。UCC5870-Q1柵極驅(qū)動器的峰值電流為39A，并在米勒平臺保持30A的電流，導通速度非?？?。通過比較兩個驅(qū)動器之間的藍色VGATE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，UCC5870-Q1的柵極驅(qū)動器電流為 30A，而同類競爭器件的柵極驅(qū)動器電流為8A。

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

隔離柵極驅(qū)動器的功率損耗來源

對柵極驅(qū)動器米勒平臺的比較也涉及柵極驅(qū)動器中的開關損耗，如圖4所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動器的開關損耗差異高達0.6W。開關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(qū)動器。 

圖 4：柵極驅(qū)動器開關損耗與開關頻率之間的關系

熱耗散

功率損耗會導致溫度升高，因此需要使用外部散熱器或更厚的印刷電路板 (PCB) 銅層，這會使系統(tǒng)熱管理問題變得更加復雜。高驅(qū)動力有助于降低柵極驅(qū)動器的管殼溫度，因此不需要成本很高的散熱器或額外的PCB接地層來降低柵極驅(qū)動器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，由于UCC5870-Q1的開關損耗較低，且在米勒平臺的驅(qū)動電流較高，因此其運行溫度降低了15℃。

圖 5：UCC5870-Q1和同類競爭柵極驅(qū)動器在驅(qū)動SiC FET方面的熱耗散

結(jié)語

隨著EV牽引逆變器的功率增至150kW以上，選擇在米勒平臺區(qū)域具有超高驅(qū)動能力的隔離式柵極驅(qū)動器可減少SiC MOSFET的功率損耗，實現(xiàn)更快的開關頻率，從而提高效率，增加全新EV車型的行駛里程。同時，TI符合功能安全標準的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1 30A 柵極驅(qū)動器提供了大量設計支持工具來幫助簡化設計。