藉由降低功率損耗和提高牽引逆變器系統(tǒng)效率，將會(huì)影響電動(dòng)車(chē)（EV）的電力系統(tǒng)及製造流程中的熱性能、系統(tǒng)重量、尺寸和成本。本文說(shuō)明如何在EV牽引逆變器中驅(qū)動(dòng)碳化矽（SiC）MOSFET，透過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率，同時(shí)增加功率和電流密度。

隨著電動(dòng)車(chē)（EV）製造商之間為了開(kāi)發(fā)成本更低、續(xù)航里程更長(zhǎng)的車(chē)型所進(jìn)行的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，電力系統(tǒng)工程師必須設(shè)法藉由降低功率損耗和提高牽引逆變器系統(tǒng)效率，來(lái)提升續(xù)航里程並增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。效率與較低的功率損耗有關(guān)，而這會(huì)影響熱性能、系統(tǒng)重量、尺寸和成本。降低功率損耗的需求將隨著開(kāi)發(fā)功率更高的逆變器而持續(xù)存在，尤其是在這每輛汽車(chē)的馬達(dá)數(shù)量增加以及卡車(chē)轉(zhuǎn)向純電動(dòng)車(chē)發(fā)展的現(xiàn)況下。

牽引逆變器長(zhǎng)久以來(lái)使用絕緣柵雙極電晶體（IGBT）。不過(guò)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，碳化矽（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)電晶體（MOSFET）不僅能夠提供比IGBT更高頻率的開(kāi)關(guān)能力，還能透過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率，同時(shí)增加功率和電流密度。

在EV牽引逆變器中驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，尤其對(duì)於功率 >100 kW和800 V的匯流排，需要具備可靠絕緣技術(shù)、高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度以及故障監(jiān)控和防護(hù)功能的絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器。

牽引逆變器系統(tǒng)中的絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器

圖1所示的絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器積體電路（IC）是牽引逆變器供電解決方案不可或缺的一部份。閘極驅(qū)動(dòng)器提供低至高電壓（輸入至輸出）電流絕緣，驅(qū)動(dòng)SiC或IGBT型三相馬達(dá)半橋的高側(cè)和低側(cè)功率級(jí)，而且能夠監(jiān)控和防範(fàn)各種故障條件。

圖1 : EV牽引逆變器原理圖

SiC MOSFET米勒平臺(tái)和高強(qiáng)度閘極驅(qū)動(dòng)器的效益

尤其是對(duì)於SiC MOSFET，閘極驅(qū)動(dòng)器IC必須盡可能減少開(kāi)關(guān)和包括開(kāi)啟和關(guān)閉能量的傳導(dǎo)損耗。MOSFET產(chǎn)品規(guī)格表包含閘極電荷特性，在這條曲線上，會(huì)發(fā)現(xiàn)稱為米勒平臺(tái)的平坦水平部份，如圖2所示。MOSFET在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間花費(fèi)的時(shí)間愈長(zhǎng)，損耗的功率就愈多。

圖2 : MOSFET開(kāi)啟特性和米勒平臺(tái)

SiC MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)，超過(guò)柵源閾值（V_GSTH）的柵源電壓（V_GS）因?yàn)殡姾珊碗娙菥鶠楣潭ǖ木壒?，被箝位在米勒平臺(tái)電壓（V_plt）並停留在其中。由MOSFET進(jìn)行開(kāi)關(guān)將需要增加或移除足夠的閘極電荷。絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器必須以高電流驅(qū)動(dòng)MOSFET閘極，才能增加或移除閘極電荷，藉以降低功率損耗。方程式1計(jì)算絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器將增加或移除的所需SiC MOSFET電荷，顯示MOSFET閘極電流與閘極電荷成正比：

Q_GATE = I_GATE× t_SW

其中I_GATE是絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器IC電流， t_SW是MOSFET的開(kāi)啟時(shí)間。

對(duì)於?150-kW的牽引逆變器應(yīng)用，絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有>10A的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，能夠以高壓擺率透過(guò)米勒平臺(tái)切換SiC FET，並運(yùn)用較高的開(kāi)關(guān)頻率。SiC FET 具有較低的反向復(fù)原電荷（Q_rr）和更穩(wěn)定的過(guò)熱導(dǎo)通電阻（R_DS（on）），可提高開(kāi)關(guān)速度。MOSFET停留在米勒平臺(tái)的時(shí)間愈短，功率損耗和自我加熱就愈低。

TI的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1是高電流、符合TI功能安全標(biāo)準(zhǔn)的30A閘極驅(qū)動(dòng)器，其具有基本型或強(qiáng)化型絕緣，以及用於與微控制器進(jìn)行故障通訊的序列週邊設(shè)備介面數(shù)位匯流排。

圖3比較UCC5870-Q1和競(jìng)爭(zhēng)閘極驅(qū)動(dòng)器之間的 SiC MOSFET開(kāi)啟。UCC5870-Q1閘極驅(qū)動(dòng)器的峰值電流為39A，並透過(guò)米勒平臺(tái)保持30A的電流，藉以實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)啟，這是理想的結(jié)果。透過(guò)比較兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的藍(lán)色V_GATE波形斜坡，也可以明顯看出更快的開(kāi)啟。在10 V的米勒平臺(tái)電壓下，UCC5870-Q1的閘極驅(qū)動(dòng)器電流為30 A，而競(jìng)爭(zhēng)裝置的閘極驅(qū)動(dòng)器電流為8 A。

圖3 : 在開(kāi)啟SiC FET方面比較TI的絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器與競(jìng)爭(zhēng)裝置

絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗影響

閘極驅(qū)動(dòng)器米勒平臺(tái)比較也與閘極驅(qū)動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)，如圖4所示。在這項(xiàng)比較中，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗差異高達(dá)0.6 W。這些損耗導(dǎo)致逆變器的總功率損耗，並加強(qiáng)對(duì)高電流閘極驅(qū)動(dòng)器的需求。

圖4 : 閘極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率

熱散逸

功率損耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高，造成熱管理更加複雜，因?yàn)樾枰崞骰蚋竦挠∷㈦娐钒澹≒CB）銅層。高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有助於降低閘極驅(qū)動(dòng)器的外殼溫度，因此不需要使用較昂貴的散熱器或額外的PCB接地層降低閘極驅(qū)動(dòng)器的IC溫度。在圖5所示的熱影像中，UCC5870-Q1的運(yùn)作溫度降低15°C，這是由於較低的開(kāi)關(guān)損耗和通過(guò)米勒平臺(tái)的較高驅(qū)動(dòng)電流。

圖5 : UCC5870-Q1與驅(qū)動(dòng)SiC FET的競(jìng)爭(zhēng)閘極驅(qū)動(dòng)器所達(dá)到的熱散逸

結(jié)論

隨著EV牽引逆變器的功率增加到150 kW以上，選擇透過(guò)米勒平臺(tái)達(dá)到最大電流強(qiáng)度的絕緣式閘極驅(qū)動(dòng)器，可以降低SiC MOSFET功率損耗並加快開(kāi)關(guān)頻率，藉以提高效率，確實(shí)改善新的EV模型驅(qū)動(dòng)範(fàn)圍。符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的UCC5870-Q1和UCC5871-Q1 30-A閘極驅(qū)動(dòng)器隨附有助於實(shí)作的許多設(shè)計(jì)支援工具。