如何通過實時可變柵極驅(qū)動強度更大限度地提高 SiC 牽引逆變器的效率

牽引逆變器是電動汽車 (EV) 中消耗電池電量的主要零部件，功率級別可達(dá) 150kW 或更高。牽引逆變器的效率和性能直接影響電動汽車單次充電后的行駛里程。因此，為了構(gòu)建下一代牽引逆變器系統(tǒng)，業(yè)界廣泛采用碳化硅 (SiC) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 來實現(xiàn)更高的可靠性、效率和功率密度。

圖 1 所示的隔離式柵極驅(qū)動器集成電路 (IC) 提供從低電壓到高電壓（輸入到輸出）的電隔離，驅(qū)動逆變器每相的高邊和低邊功率模塊，并監(jiān)測和保護(hù)逆變器免受各種故障的影響。根據(jù)汽車安全完整性等級 (ASIL) 功能安全要求，柵極驅(qū)動器 IC 必須符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，確保對單一故障和潛在故障的故障檢測率分別為 ≥99% 和 ≥90%。

在本文中，我們將重點介紹實時可變柵極驅(qū)動強度的技術(shù)優(yōu)勢，這項新功能可讓設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，例如效率（影響電動汽車行駛里程）和 SiC 過沖（影響可靠性）。

圖 1：電動汽車牽引逆變器框圖

通過實時可變柵極驅(qū)動強度提高效率

柵極驅(qū)動器 IC 必須盡可能高效地導(dǎo)通 SiC FET，同時盡可能降低開關(guān)損耗。控制和改變柵極驅(qū)動電流強度的能力可降低開關(guān)損耗，但代價是在開關(guān)期間增加了開關(guān)節(jié)點處的瞬態(tài)過沖。改變柵極驅(qū)動電流可控制 SiC 的開關(guān)速度，如圖 2 所示。

圖 2：通過改變柵極驅(qū)動器 IC 驅(qū)動強度控制 SiC 開關(guān)速度

柵極驅(qū)動電流的實時可變功能可實現(xiàn)瞬態(tài)過沖管理以及整個高電壓電池能量周期的設(shè)計優(yōu)化。充滿電且荷電狀態(tài)為 100% 至 80% 的電池應(yīng)使用較低柵極驅(qū)動強度，將 SiC 電壓過沖保持在限制范圍內(nèi)。隨著電池電量從 80% 降至 20%，采用較高柵極驅(qū)動強度可降低開關(guān)損耗并提高牽引逆變器效率，在充電周期 75% 的時間內(nèi)都屬于這種情況，因此對系統(tǒng)效率的提升非常明顯。圖 3 展示了典型的瞬態(tài)過沖與電池峰值電壓和電量狀態(tài)的關(guān)系。

圖 3：瞬態(tài)過沖與電池峰值電壓和電量狀態(tài)的關(guān)系

UCC5880-Q1 是一款最大 20A 的 SiC 柵極驅(qū)動器，具有多種保護(hù)功能，適用于汽車應(yīng)用中的牽引逆變器。其柵極驅(qū)動強度介于 5A 至 20A 之間，并且可通過一個 4MHz 雙向串行外設(shè)接口 SPI 總線或三個數(shù)字輸入引腳進(jìn)行調(diào)整。圖 4 展示了實現(xiàn)可變柵極驅(qū)動強度的雙分離輸出的實現(xiàn)方案。

圖 4：UCC5880-Q1 的雙路輸出分離柵極驅(qū)動結(jié)構(gòu)

使用 DPT 評估功率級開關(guān)

評估牽引逆變器功率級開關(guān)性能的標(biāo)準(zhǔn)方法是雙脈沖測試 (DPT)，它可以在不同電流下閉合和斷開 SiC 功率開關(guān)。通過改變開關(guān)時間，可以控制和測量工作條件下的 SiC 開啟和關(guān)斷波形，從而有助于評估效率和 SiC 過沖，后者會影響可靠性。圖 5 展示了 UCC5880-Q1 低邊 DPT 設(shè)置的可變強度柵極驅(qū)動器和 SiC 半橋的連接圖。

圖 5：低邊 DPT 框圖

表 1 的結(jié)果展示了具有可變強度的 SiC 柵極驅(qū)動器如何幫助控制過沖，同時更大限度地提高效率和優(yōu)化熱性能。EON 和 EOFF 分別是開啟和關(guān)斷開關(guān)能量損耗。VDS,MAX 是最大電壓過沖，TOFF 和 TON dv/dt 分別是 VDS 在開啟和關(guān)斷期間的開關(guān)速度。

表 1：DPT 摘要（800V 總線，540A 負(fù)載電流，從左到右依次為最高到最低柵極驅(qū)動）

緩解過沖

圖 6 的波形展示了可變柵極驅(qū)動強度對 SiC 過沖的影響，因為 UCC5880-Q1 柵極驅(qū)動電阻和驅(qū)動強度是實時控制的。使用較低的柵極驅(qū)動（SiC 關(guān)斷）可減輕功率級過沖。

(a)

(b)
圖 6：實時可變柵極驅(qū)動強度對 SiC 過沖的影響：SiC 強驅(qū)動關(guān)斷 (a)；SiC 弱驅(qū)動關(guān)斷 (b)

表 2 列出了用于比較的實際測量值。根據(jù)系統(tǒng)寄生效應(yīng)和噪聲控制目標(biāo)，您可以相應(yīng)地在過沖、dv/dt 和開關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

表 2：柵極驅(qū)動強度與 SiC FET 開關(guān)速度、過沖結(jié)果和能量損耗間的關(guān)系

延長行駛里程

使用 UCC5880-Q1 的強大柵極驅(qū)動控制功能來降低 SiC 開關(guān)損耗時，效率提升可以非常顯著，具體取決于牽引逆變器的功率級別。如圖 7 所示，使用全球統(tǒng)一輕型汽車測試程序 (WLPT) 和實際駕駛計程速度和加速度進(jìn)行建模表明，SiC 功率級效率提升可高達(dá) 2%，相當(dāng)于每塊電池增加 11 公里的行駛里程。這 11 公里可能決定著消費者是找到充電樁還是被困在路上。

圖 7：WLPT 和真實計程速度和加速度直方圖

UCC5880-Q1 還包括 SiC 柵極電壓閾值監(jiān)測功能，可在系統(tǒng)生命周期內(nèi)電動汽車每次按鍵啟動時執(zhí)行閾值電壓測量，并向微控制器提供電源開關(guān)數(shù)據(jù)，用于預(yù)測電源開關(guān)故障。

結(jié)語

隨著電動汽車牽引逆變器的功率級別接近 300kW，人們迫切需要更高的可靠性和更高的效率。選擇具有實時可變柵極驅(qū)動強度的 SiC 隔離式柵極驅(qū)動器有助于實現(xiàn)上述目標(biāo)。UCC5880-Q1 附帶設(shè)計支持工具，包括評估板、用戶指南和功能安全手冊，可協(xié)助您進(jìn)行設(shè)計。