TI柵極驅(qū)動器提供大量設(shè)計(jì)支持工具幫助簡化設(shè)計(jì)

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?yàn)樗鼤绊懴到y(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 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(hù)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(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和保護(hù)。

圖 1：EV 牽引逆變器方框圖

SiC米勒平臺和高強(qiáng)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(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，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，損耗的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導(dǎo)通特性和米勒平臺

當(dāng) SiC MOSFET 開關(guān)時(shí)，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?yàn)殡姾珊?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容是固定的。要使 MOSFET 開關(guān)，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(jìn)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(jìn)行了計(jì)算，表明 MOSFET 柵極電流與柵極電荷成正比：

公式 1

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

對于 ≥150kW 的牽引逆變器應(yīng)用，隔離柵極驅(qū)動器應(yīng)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(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 （Qrr） 和在高溫下更穩(wěn)定的導(dǎo)通電阻 （RDS（on）），可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度。MOSFET 在米勒平臺停留的時(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)動電流、符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 30A 柵極驅(qū)動器，具有基本隔離或增強(qiáng)隔離等級功能，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 UCC5870-Q1 和一同類競爭柵極驅(qū)動器間的 SiC MOSFET 導(dǎo)通情況進(jìn)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(dǎo)通速度非常快。通過比較兩個驅(qū)動器之間的藍(lán)色 VGATE 波形斜率，也可明顯看出其導(dǎo)通速度更快。米勒平臺電壓為 10V 時(shí)，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(dǎo)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(guān)損耗，如圖 4 所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動器的開關(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)動器。

圖 4：柵極驅(qū)動器開關(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，這會使系統(tǒng)熱管理問題變得更加復(fù)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(guān)損耗較低，且在米勒平臺的驅(qū)動電流較高，因此其運(yùn)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(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)動器提供了大量設(shè)計(jì)支持工具來幫助簡化設(shè)計(jì)。