隨著電動(dòng)汽車(chē) （EV） 制造商之間在開(kāi)發(fā)成本更低、行駛里程更長(zhǎng)的車(chē)型方面的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,，電力系統(tǒng)工程師面臨著減少功率損耗和提高牽引逆變器系統(tǒng)效率的壓力,，這可以提高行駛里程并提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。效率與較低的功率損耗有關(guān),，這會(huì)影響熱性能,，進(jìn)而影響系統(tǒng)重量、尺寸和成本,。隨著具有更高功率水平的逆變器的開(kāi)發(fā),，減少功率損耗的需求將繼續(xù)存在，特別是隨著每輛車(chē)電機(jī)數(shù)量的增加以及卡車(chē)向純電動(dòng)汽車(chē)的遷移,。
牽引逆變器傳統(tǒng)上使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）,。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅 （SiC） 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 能夠以比 IGBT 更高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān),，通過(guò)降低電阻和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率,，同時(shí)提高功率和電流密度。在電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器中驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET,，尤其是在功率水平 >100 kW 和 800V 總線下,，需要具有可靠隔離技術(shù)、高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度以及故障監(jiān)控和保護(hù)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器,。
牽引逆變器系統(tǒng)中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
圖1所示的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）是牽引逆變器供電解決方案的組成部分,。柵極驅(qū)動(dòng)器提供低到高壓（輸入到輸出）電流隔離，驅(qū)動(dòng)基于 SiC 或 IGBT 的三相電機(jī)半橋的高側(cè)和低側(cè)功率級(jí),，并能夠監(jiān)控和保護(hù)各種故障情況,。
圖1：電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器框圖
碳化硅 MOSFET 米勒平臺(tái)和高強(qiáng)度柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)
特別是對(duì)于SiC MOSFET，柵極驅(qū)動(dòng)器IC必須將開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗（包括導(dǎo)通和關(guān)斷能量）降至最低,。MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)包括柵極電荷特性,，在該曲線上，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)平坦的水平部分,，稱(chēng)為米勒平臺(tái),，如圖2所示。MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng),，損失的功率就越多,。
當(dāng)碳化硅MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí),，柵源電壓（V一般事務(wù)人員） 通過(guò)門(mén)到源閾值 （V總金），鉗位在米勒平臺(tái)電壓（VPLT）,，并且停留在那里,，因?yàn)殡姾珊碗娙菔枪潭ǖ摹Ｗ?MOSFET 開(kāi)關(guān)需要增加或消除足夠的柵極電荷,。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器必須以高電流驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極,，以便增加或消除柵極電荷，以減少功率損耗,。公式1計(jì)算隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器將增加或消除所需的SiC MOSFET電荷,，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：
QGATE = IGATE × tSW （1）
where IGATE is the isolated gate-driver IC current and tSW is the turnon time of the MOSFET.
對(duì)于 ≥150kW 牽引逆變器應(yīng)用，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有 >10 A 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度,，以便以高壓擺率將 SiC FET 切換通過(guò)米勒平臺(tái),，并利用更高的開(kāi)關(guān)頻率。碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較低的反向恢復(fù)電荷（QRR）和更穩(wěn)定的溫度導(dǎo)通電阻（RDS（開(kāi)啟））,，可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度,。MOSFET在米勒高原停留的時(shí)間越短，功率損耗和自發(fā)熱就越低,。
TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高電流,、符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 30A 柵極驅(qū)動(dòng)器，具有基本或增強(qiáng)隔離和串行外設(shè)接口數(shù)字總線,，用于與微控制器進(jìn)行故障通信,。圖 3 比較了 UCC5870-Q1 和競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器之間的 SiC MOSFET 導(dǎo)通。UCC5870-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器的峰值為 39 A,，并通過(guò)米勒平臺(tái)保持 30 A 的電流,，從而實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通，這是首選結(jié)果,。通過(guò)比較藍(lán)色V,，更快的開(kāi)啟速度也很明顯。門(mén)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的波形斜坡,。在 10 V 的米勒平臺(tái)電壓下,，UCC5870-Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 30 A，而競(jìng)爭(zhēng)器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 8 A,。
圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與競(jìng)爭(zhēng)器件打開(kāi) SiC FET 時(shí)的比較
隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的功率損耗貢獻(xiàn)
柵極驅(qū)動(dòng)器-米勒平臺(tái)比較還與柵極驅(qū)動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)損耗有關(guān),，如圖4所示。在此比較中,，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗差高達(dá)0.6 W,。這些損耗會(huì)導(dǎo)致逆變器的總功率損耗，并加強(qiáng)對(duì)大電流柵極驅(qū)動(dòng)器的需求。
圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系
散熱
功率損耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高,，由于需要散熱器或更厚的印刷電路板 （PCB） 銅層,，可能會(huì)使熱管理復(fù)雜化。高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有助于降低柵極驅(qū)動(dòng)器的外殼溫度,，從而減少對(duì)更昂貴的散熱器或額外的PCB接地層的需求,，以降低柵極驅(qū)動(dòng)器的IC溫度。在圖 5 所示的熱圖像中,，UCC5870-Q1 的運(yùn)行溫度降低了 15°C,，因?yàn)樗哂休^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 的散熱與驅(qū)動(dòng) SiC FET 的競(jìng)爭(zhēng)柵極驅(qū)動(dòng)器的比較
結(jié)論
隨著電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的功率增加到 150 kW 以上,，通過(guò)米勒平臺(tái)選擇具有最大電流強(qiáng)度的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可以降低 SiC MOSFET 功率損耗,，實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高效率,，從而改善新的電動(dòng)汽車(chē)型號(hào)的驅(qū)動(dòng)范圍,。符合 TI 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 柵極驅(qū)動(dòng)器附帶大量設(shè)計(jì)支持工具，可幫助實(shí)現(xiàn),。
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