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

作為汽車電動(dòng)牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)器的領(lǐng)先供應(yīng)商之一，恩智浦不斷推動(dòng)逆變器效率、功能安全和汽車性能的提升。恩智浦發(fā)布的 GD3162 具有動(dòng)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)功能，能夠在日益寬廣的工作范圍內(nèi)為先進(jìn)功率開關(guān)器件 (如碳化硅、氮化鎵等) 提供卓越開關(guān)性能。GD3162器件的動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制不僅提高了逆變器的效率，還提供了強(qiáng)大的功能安全解決方案，同時(shí)改進(jìn)了典型硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為功率器件保駕護(hù)航。

電池和電動(dòng)牽引電機(jī)雖然是電動(dòng)汽車 (EV) 的標(biāo)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)汽車電池和電機(jī)的關(guān)鍵，它將電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的交流電。

盡管電動(dòng)汽車市場已經(jīng)穩(wěn)固，但其技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。在性能、可靠性和功能安全方面，電動(dòng)汽車仍有很大的提升空間，汽車業(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(jī)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(qū)動(dòng)器問世，首次能夠根據(jù)電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀況在多個(gè)預(yù)設(shè)電流值之間切換。換言之，這種柵極驅(qū)動(dòng)器提供了動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制。恩智浦 GD3162 就是率先采用這項(xiàng)技術(shù)的先驅(qū)之一。

資料下載

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

由于柵極強(qiáng)度具有可調(diào)性，逆變器控制算法能夠根據(jù)電機(jī)的當(dāng)前狀況優(yōu)化逆變器功率器件的開關(guān)速率，例如在極低環(huán)境溫度下 (可能影響功率器件的開關(guān)速率)，或在配備能量回收制動(dòng)功能的車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí) (可能導(dǎo)致母線電壓升高，引發(fā)器件過沖應(yīng)力)。

這項(xiàng)技術(shù)的核心優(yōu)勢在于提高了電動(dòng)汽車的整體效率，不僅如此，恩智浦的創(chuàng)新還提供了強(qiáng)大的功能安全解決方案，同時(shí)改進(jìn)了典型硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為功率器件保駕護(hù)航。

汽車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)地增加汽車的續(xù)航里程。

柵極驅(qū)動(dòng)器

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

牽引逆變器中的柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)逆變器的功率器件。傳統(tǒng)上，這些功率器件主要是硅基IGBT，但現(xiàn)在越來越多地采用碳化硅 (SiC) MOSFET。這些功率器件將電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的交流電。

電動(dòng)汽車牽引逆變器通常包含六個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器IC和六個(gè)功率器件，每兩組對應(yīng)三相交流電機(jī)的一個(gè)相位 (如圖1所示)。柵極驅(qū)動(dòng)器的控制，包括柵極強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，通常由牽引逆變器的微控制器來管理。

圖1：電動(dòng)汽車牽引逆變器的示例原理圖。常見配置使用六個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器IC，每兩個(gè)負(fù)責(zé)典型三相交流電機(jī)的一個(gè)相位。柵極驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)功率器件——IGBT或碳化硅 (SiC) MOSFET，將電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的交流電。傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器通常將開關(guān)速率設(shè)定為單一特定值。然而，具有動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制的柵極驅(qū)動(dòng)器則可以根據(jù)電機(jī)狀況調(diào)整開關(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(tǒng)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壓，然而這種做法在更為常見的工作條件下可能會(huì)錯(cuò)失潛在的節(jié)能機(jī)會(huì)。

動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制

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

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

調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)電流是根據(jù)特定條件調(diào)整開關(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。(來源：恩智浦)

如果能夠根據(jù)駕駛條件選擇開關(guān)行為， 也就是說，如果動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制成為一種可選項(xiàng)，逆變器 (進(jìn)而整個(gè)車輛) 的性能將會(huì)更加高效。

恩智浦通過在其柵極驅(qū)動(dòng)器中集成額外的引腳，實(shí)現(xiàn)了這一選項(xiàng)。恩智浦GD3162柵極驅(qū)動(dòng)器為開通和關(guān)閉路徑各設(shè)置了兩個(gè)可獨(dú)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(jié)合使用以提供高達(dá)約30A輸出的第三種選擇。

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

柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以通過數(shù)字輸入引腳或SPI命令來控制 (圖3)。無論采用哪種方式，客戶都可以根據(jù)需求選擇驅(qū)動(dòng)功率器件的強(qiáng)度。憑借如此寬泛的可選驅(qū)動(dòng)電流范圍，GD3162甚至能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的器件或芯片。

圖3：GD3162的應(yīng)用框圖，其中包含兩組獨(dú)立的開通和關(guān)閉電阻。柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以通過SPI命令或GPIO引腳進(jìn)行選擇。

使用GD3162，所需的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)命令和執(zhí)行。

圖4：高柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度與低柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度下開關(guān)事件的比較。GD3162能夠通過ISEN / COMP引腳從高壓側(cè)影響柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

提升效率

功率器件可能因電壓應(yīng)力過高而受到損壞。盡管汽車電子產(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集成電路 (包括日益先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器) 的熱負(fù)荷。

柵極驅(qū)動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)通常始于對最壞情況 (如最大負(fù)載、最高電壓) 的研究。目標(biāo)是提供足夠的電阻，以在這些情況下提供保護(hù)。

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(qiáng)度控制的柵極驅(qū)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(fù)載條件的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置下運(yùn)行。

系統(tǒng)持續(xù)評估多個(gè)系統(tǒng)因素 (電流、電壓、溫度等)，始終控制柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，在OEM指定的最適合典型條件的設(shè)置下運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)非典型情況時(shí)自動(dòng)切換到更合適的設(shè)置，并在條件恢復(fù)正常時(shí)動(dòng)態(tài)地切換回來。

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

隨著柵極驅(qū)動(dòng)器效率的提高，冷卻需求也得以緩解。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠采用更小的冷卻系統(tǒng)，這意味著整個(gè)逆變器的尺寸和重量都可以減小。減少整車尺寸和重量最終可能對續(xù)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(yīng)用，通常需要滿足ASIL D級的要求。柵極驅(qū)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(biāo)。GD3162為ASIL C/D級，可滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求，符合AEC-Q100的1級認(rèn)證。

GD3162采用兩個(gè)引腳分別進(jìn)行開通和關(guān)閉，防止柵極驅(qū)動(dòng)電阻出現(xiàn)單點(diǎn)故障。該器件還能報(bào)告指令和接收到的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，防止?jié)撛诠收匣驏艠O驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(qū)動(dòng)器，專為驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車、混動(dòng)電動(dòng)汽車等中牽引逆變器的最新SiC和IGBT模塊而設(shè)計(jì)。

GD3162提供可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制驅(qū)動(dòng)功能，具有強(qiáng)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(hù)功能，能自動(dòng)化管理故障情況，并通過中斷引腳和SPI報(bào)告功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)器的狀況。

GD316專為高功能安全等級系統(tǒng) (ASILC/D) 而設(shè)計(jì)，可滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求，符合AEC-Q100的1級認(rèn)證。

恩智浦的電動(dòng)汽車牽引逆變器系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器，高效可靠地控制向牽引電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換。

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

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

為了支持客戶開發(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)汽車功率逆變器控制參考平臺，配有系統(tǒng)使能軟件。設(shè)計(jì)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。

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

創(chuàng)新的柵極驅(qū)動(dòng)IC

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

GD3162的動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制提高了逆變器效率，提供了強(qiáng)大的功能安全解決方案，并改進(jìn)了典型的硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為功率器件保駕護(hù)航。