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如何通過實時可變柵極驅動強度更大限度地提高 SiC 牽引逆變器的效率

2023-05-23 11:56:27 德州儀器

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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 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，為了構建下一代牽引逆變器系統，業界廣泛采用碳化硅 (SiC) 場效應晶體管 (FET) 來實現更高的可靠性、效率和功率密度。

圖 1 所示的隔離式柵極驅動器集成電路 (IC) 提供從低電壓到高電壓（輸入到輸出）的電隔離，驅動逆變器每相的高邊和低邊功率模塊，并監測和保護逆變器免受各種故障的影響。根據汽車安全完整性等級 (ASIL) 功能安全要求，柵極驅動器 IC 必須符合 ISO 26262 標準，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動強度的技術優勢，這項新功能可讓設計人員優化系統參數，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動強度提高效率

柵極驅動器 IC 必須盡可能高效地導通 SiC FET，同時盡可能降低開關損耗。控制和改變柵極驅動電流強度的能力可降低開關損耗，但代價是在開關期間增加了開關節點處的瞬態過沖。改變柵極驅動電流可控制 SiC 的開關速度，如圖 2 所示。

圖 2：通過改變柵極驅動器 IC 驅動強度控制 SiC 開關速度

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

圖 3：瞬態過沖與電池峰值電壓和電量狀態的關系

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

圖 4：UCC5880-Q1 的雙路輸出分離柵極驅動結構

使用 DPT 評估功率級開關

評估牽引逆變器功率級開關性能的標準方法是雙脈沖測試 (DPT)，它可以在不同電流下閉合和斷開 SiC 功率開關。通過改變開關時間，可以控制和測量工作條件下的 SiC 開啟和關斷波形，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 設置的可變強度柵極驅動器和 SiC 半橋的連接圖。

圖 5：低邊 DPT 框圖

表 1 的結果展示了具有可變強度的 SiC 柵極驅動器如何幫助控制過沖，同時更大限度地提高效率和優化熱性能。E_ON 和 E_OFF 分別是開啟和關斷開關能量損耗。V_DS,MAX 是最大電壓過沖，T_OFF 和 T_ON dv/dt 分別是 V_DS 在開啟和關斷期間的開關速度。

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

緩解過沖

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

(a)

(b)

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

表 2 列出了用于比較的實際測量值。根據系統寄生效應和噪聲控制目標，您可以相應地在過沖、dv/dt 和開關損耗之間進行權衡。

表 2：柵極驅動強度與 SiC FET 開關速度、過沖結果和能量損耗間的關系

延長行駛里程

使用 UCC5880-Q1 的強大柵極驅動控制功能來降低 SiC 開關損耗時，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，使用全球統一輕型汽車測試程序 (WLPT) 和實際駕駛計程速度和加速度進行建模表明，SiC 功率級效率提升可高達 2%，相當于每塊電池增加 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。