使用TI功能安全柵極驅(qū)動(dòng)器提高SiC牽引逆變器的效率

隨著電動(dòng)汽車 (EV) 制造商競(jìng)相開發(fā)成本更低、行駛里程更長(zhǎng)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(zhǎng)行駛里程并在市場(chǎng)中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。功率損耗越低則效率越高，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)熱性能，進(jìn)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(jí)別更高，每輛汽車的電機(jī)數(shù)量增加，以及卡車朝著純電動(dòng)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(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有比IGBT更高的開關(guān)頻率，不僅可以通過降低電阻和開關(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(qū)動(dòng) SiC，尤其是在功率級(jí)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(dòng)能力以及故障監(jiān)控和保護(hù)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

圖1所示的隔離式柵極驅(qū)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(qū)動(dòng)器提供從低壓到高壓（輸入到輸出）的電隔離，驅(qū)動(dòng)基于SiC或IGBT的三相電機(jī)半橋的高側(cè)和低側(cè)功率級(jí)，并能夠在發(fā)生各種故障時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和保護(hù)。

圖 1：EV 牽引逆變器方框圖

SiC米勒平臺(tái)和高強(qiáng)度柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)SiC，柵極驅(qū)動(dòng)器必須盡可能降低包括開啟和關(guān)斷能量在內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)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(tái)，如圖2所示。MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)間耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，損耗的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導(dǎo)通特性和米勒平臺(tái)

當(dāng)SiC MOSFET開關(guān)時(shí)，柵源電壓 (V_GS) 通過柵源閾值 (V_GSTH)，被鉗位于米勒平臺(tái)電壓 (V_plt) 保持不變，因?yàn)殡姾珊碗娙菔枪潭ǖ摹Ｒ筂OSFET開關(guān)，需要增加或去除足夠的柵極電荷。隔離柵極驅(qū)動(dòng)器必須以大電流驅(qū)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。通過公式1對(duì)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器將增加或去除的所需SiC MOSFET電荷進(jìn)行了計(jì)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(qū)動(dòng)器IC電流，t_SW是MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。

對(duì)于≥150kW的牽引逆變器應(yīng)用，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有> 10A的驅(qū)動(dòng)能力，這樣可在米勒平臺(tái)區(qū)域內(nèi)以高壓擺率對(duì)SiC MOSFET進(jìn)行開關(guān)，同時(shí)達(dá)到更高的開關(guān)頻率。SiC MOSFET具有較低的反向恢復(fù)電荷 (Q_rr) 和在高溫下更穩(wěn)定的導(dǎo)通電阻 (R_DS(on))，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度。MOSFET在米勒平臺(tái)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(qū)動(dòng)電流、符合TI功能安全標(biāo)準(zhǔn)的30A柵極驅(qū)動(dòng)器，具有基本隔離或增強(qiáng)隔離等級(jí)功能，以及用于與微控制器進(jìn)行故障通信的SPI串行外設(shè)接口數(shù)字總線。圖3對(duì)UCC5870-Q1和一同類競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器間的SiC MOSFET導(dǎo)通情況進(jìn)行了比較。UCC5870-Q1柵極驅(qū)動(dòng)器的峰值電流為39A，并在米勒平臺(tái)保持30A的電流，導(dǎo)通速度非常快。通過比較兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的藍(lán)色V_GATE波形斜率，也可明顯看出其導(dǎo)通速度更快。米勒平臺(tái)電壓為10V時(shí)，UCC5870-Q1的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 30A，而同類競(jìng)爭(zhēng)器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為8A。

圖 3：比較TI的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與同類競(jìng)爭(zhēng)器件在導(dǎo)通SiC MOSFET方面的情況

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗來源

對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器米勒平臺(tái)的比較也涉及柵極驅(qū)動(dòng)器中的開關(guān)損耗，如圖4所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)損耗差異高達(dá)0.6W。開關(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(qū)動(dòng)器。 

圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間的關(guān)系

熱耗散

功率損耗會(huì)導(dǎo)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(tǒng)熱管理問題變得更加復(fù)雜。高驅(qū)動(dòng)力有助于降低柵極驅(qū)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接地層來降低柵極驅(qū)動(dòng)器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，由于UCC5870-Q1的開關(guān)損耗較低，且在米勒平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電流較高，因此其運(yùn)行溫度降低了15℃。

圖 5：UCC5870-Q1和同類競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)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(tái)區(qū)域具有超高驅(qū)動(dòng)能力的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可減少SiC MOSFET的功率損耗，實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)頻率，從而提高效率，增加全新EV車型的行駛里程。同時(shí)，TI符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1 30A 柵極驅(qū)動(dòng)器提供了大量設(shè)計(jì)支持工具來幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

其他資源

● 要了解如何驅(qū)動(dòng)IGBT和SiC開關(guān)管，請(qǐng)參閱電子書“IGBT和SiC柵極驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)”。

● 下載符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織26262標(biāo)準(zhǔn)的UCC5870-Q1柵極驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表。

● 要了解如何設(shè)計(jì)牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，請(qǐng)查看應(yīng)用報(bào)告“使用隔離式IGBT和SiC柵極驅(qū)動(dòng)器的HEV/EV牽引逆變器設(shè)計(jì)指南”。

● 要了解如何設(shè)計(jì)采用分布式架構(gòu)的牽引逆變器，請(qǐng)閱讀技術(shù)文章“通過分布式架構(gòu)驅(qū)動(dòng)下一代電動(dòng)汽車系統(tǒng)”。