降低SiC牵引逆变器的功率损耗和热耗散-牵引逆变器基本控制原理

随着电动汽车（EV）制造商之间在开发成本更低、行驶里程更长的车型方面的竞争日益激烈，电力系统工程师面临着减少功率损耗和提高牵引逆变器系统效率的压力，这可以改善行驶里程并提供竞争优势。效率与较低的功率损耗有关，这会影响热性能，进而影响系统重量、尺寸和成本。随着具有更高功率水平的逆变器的开发，减少功率损耗的需求将继续存在，特别是随着每辆车的电机数量的增加，卡车将迁移到纯电动汽车。

牵引逆变器传统上使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）。但随着半导体技术的进步，碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）提供了以比IGBT更高的频率进行切换的能力，通过降低电阻和开关损耗来提高效率，同时增加功率和电流密度。在 EV 牵引逆变器中驱动 SiC MOSFET，特别是在功率水平>100 kW 和 800V 总线下，需要一个具有可靠隔离技术、高驱动强度以及故障监测和保护功能的隔离式栅极驱动器。

牵引逆变器系统中的隔离式栅极驱动器

图1所示的隔离式栅极驱动器集成电路（IC）是牵引逆变器供电解决方案的一个组成部分。栅极驱动器提供低到高压（输入到输出）电流隔离，驱动基于SiC或基于IGBT的三相电机半桥的高侧和低侧功率级，并能够监控和防范各种故障情况。

图1：EV牵引逆变器框图

碳化硅MOSFET米勒平台和高强度栅极驱动器的优势

特别是对于SiC MOSFET，栅极驱动器IC必须将开关和传导损耗（包括匝断和关断能量）降至最低。MOSFET数据手册包括栅极电荷特性，在该曲线上，您会发现一个平坦的水平部分，称为米勒平台，如图2所示。MOSFET在开/关状态之间花费的时间越多，损耗的功率就越多。

图2：MOSFET岔路特性和米勒平台

当碳化硅 MOSFET 切换时，栅极至源极电压 （V 一般事务 ） 通过门到源阈值 （V 研究生院 ），箝位在米勒平台电压 （V） 铂金 ），并保持在那里，因为电荷和电容是固定的。要使 MOSFET 切换，需要添加或删除足够的栅极电荷。隔离式栅极驱动器必须以高电流驱动 MOSFET 栅极，以增加或移除栅极电荷，从而降低功率损耗。等式1计算了隔离式栅极驱动器将添加或移除所需的SiC MOSFET电荷，表明MOSFET栅极电流与栅极电荷成正比：

Q 门 = I 门 × t 西 南部 (1)

我在哪里门是隔离式栅极驱动器 IC 电流和 t西 南部是场效应管的通车时间。

对于≥150 kW牵引逆变器应用，隔离式栅极驱动器应具有>10 A的驱动强度，以高压摆率将SiC FET通过米勒平台，并利用更高的开关频率。碳化硅 FET 具有较低的反向恢复电荷 （Q 断续器 ） 和更稳定的过温导通电阻 （R 断续器（on） ） 可实现更高的开关速度。MOSFET在米勒高原停留的时间越短，功率损耗和自发热就越低。

TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高电流、符合 TI 功能安全标准的 30-A 栅极驱动器，具有基本或增强型隔离功能，并具有串行外设接口数字总线，用于与微控制器进行故障通信。图3比较了UCC5870-Q1和竞争栅极驱动器之间的碳化硅MOSFET导通。UCC5870-Q1 栅极驱动器的峰值为 39 A，通过米勒平台可保持 30 A 的电流，从而实现更快的岔通，这是首选结果。通过比较蓝色V，更快的转动也很明显门两个驱动器之间的波形斜坡。在米勒平台电压为 10 V 时，UCC5870-Q1 的栅极驱动器电流为 30 A，而竞争器件的栅极驱动器电流为 8 A。

图 3：比较 TI 的隔离式栅极驱动器与竞争器件在打开 SiC FET 时

隔离式栅极驱动器的功率损耗贡献

栅极驱动器米勒平台比较也与栅极驱动器中的开关损耗有关，如图4所示。在此比较中，驱动器开关损耗差高达0.6 W。这些损耗会导致逆变器的整体功率损耗，并加强对高电流栅极驱动器的需求。

图 4：栅极驱动器开关损耗与开关频率的关系

散热

功率损耗导致温度升高，这会使热管理复杂化，因为需要散热器或更厚的印刷电路板（PCB）铜层。高驱动强度有助于降低栅极驱动器的外壳温度，从而减少了对更昂贵的散热器或额外的PCB接地层的需求，以散热栅极驱动器的IC温度。在图5所示的热图像中，UCC5870-Q1的运行温度为15°C，因为它的开关损耗较低，通过米勒平台的驱动电流较高。

图 5：UCC5870-Q1 与驱动 SiC FET 的竞争栅极驱动器的热耗散

结论

随着电动汽车牵引逆变器的功率增加到150 kW以上，选择具有最大电流强度的隔离式栅极驱动器通过米勒平台可以减少SiC MOSFET功率损耗，实现更快的开关频率，从而提高效率，从而改善新的电动汽车型号的驱动范围。符合 TI 功能安全标准的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 栅极驱动器附带一系列设计支持工具，可帮助实现。

审核编辑 黄昊宇