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如何透過即時可變閘極驅動強度提高 SiC 牽引逆變器的效率

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德州儀器新聞稿 發表於 2023年11月16日
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圖、如何透過即時可變閘極驅動強度提高 SiC 牽引逆變器的效率
 
牽引逆變器是電動車 (EV) 中的主要耗電零件,功率位準達到 150 kW 以上。牽引逆變器的效率和性能直接影響了電動車單次充電後的行駛里程。因此,為了打造下一代牽引逆變器系統,業界廣泛採用碳化矽 (SiC) 場效應電晶體 (FET) 來實現更高的可靠性、效率和功率密度。

圖 1 所示的隔離式閘極驅動器積體電路 (IC) 提供從低電壓到高電壓 (輸入到輸出) 的電流隔離,驅動 SiC 式逆變器每相的高側和低側功率級,並監視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 (Automotive Safety Integrity Level,ASIL) 功能安全要求,閘極驅動器 IC 必須符合國際標準化組織 (ISO) 26262 標準,確保對單一故障和潛在故障的故障偵測率分別為 ≥99% 和 ≥90%。 

在本文中,我將重點介紹即時可變閘極驅動強度的優勢,這項新特點讓設計人員能夠將系統參數最佳化,例如效率 (會影響電動車工作範圍) 和 SiC 過衝 (會影響可靠性)。
 

圖 1、電動車牽引逆變器系統方塊圖
消除外部元件的同時盡量提高功率密度,查看我們的參考設計

透過即時可變閘極驅動強度提高效率
閘極驅動器 IC 必須盡可能以高效率導通 SiC FET,同時盡量降低包括導通和關斷能量在內的開關和傳導損耗。控制和改變閘極驅動電流強度的能力降低了開關損耗,但代價是在開關期間增加了開關節點處的瞬態過衝。改變閘極驅動電流可控制 SiC FET 的電壓轉換率,如圖 2 所示。
 
 

圖 2、透過改變閘極驅動器 IC 驅動強度控制 SiC 電壓轉換率

閘極驅動電流的即時可變性可實現瞬態過衝管理,以及整個高壓電池能量週期的設計最佳化。充滿電且電量狀態為 100% 至 80% 的電池應使用低閘極驅動強度,將 SiC 電壓過衝保持在限制範圍內。當電池電量從 80% 下降到 20% 時,採用高閘極驅動強度可降低開關損耗並提高牽引逆變器效率。這些情況可能發生在 75% 的充電週期內,因此效率提升非常顯著。圖 3 顯示了典型的瞬態過衝與電池峰值電壓和充電狀態的關係。
 
 
圖 3、瞬態過衝與電池峰值電壓和充電狀態的關係
 
UCC5880-Q1 是一款 20 A SiC 閘極驅動器,具備進階保護功能,適用於汽車應用中的牽引逆變器。其閘極驅動強度介於 5 A 到 20 A 之間,可透過一個 4 MHz 雙向序列周邊介面匯流排或三個數位輸入針腳進行調整。圖 4 顯示了實現可變閘極驅動強度的雙分離輸出的實作方案。
 

圖 4、UCC5880-Q1 的雙輸出分離閘極驅動結構
 
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衝測試 (DPT),它會在不同的電流下開啟和關閉 SiC 電源開關。透過改變開關時間,可以控制和測量工作條件下 SiC 導通和關斷波形,從而有助於評估影響可靠性的效率和 SiC 過衝。圖 5 顯示了採用低側 DPT 設定的 UCC5880-Q1 可變強度閘極驅動器和 SiC 半橋。
 

圖 5、低側 DPT 方塊圖
 
表 1 中的結果顯示了具有可變強度的 SiC 閘極驅動器如何協助您控制過衝,同時盡量提高效率和最佳化散熱性能。EON 和 EOFF 分別是導通和關斷開關的能量損耗。VDS,MAX 是最大電壓過衝,TOFF 和 TON 瞬態電壓 (dv/dt) 分別是 VDS 在導通和關斷期間的電壓轉換率。
 

表 1、DPT 摘要 (800 V 匯流排、540 A 負載電流,從左到右從高到低的閘極驅動)
 
緩解過衝
圖 6 中的波形說明了可變閘極驅動強度對 SiC 過衝的影響,因為 UCC5880-Q1 可即時控制閘極驅動電阻和驅動強度。啟用較低的閘極驅動 (SiC 關斷) 可減輕功率級過衝。
 

(a)

(b)
圖 6、即時可變閘極驅動強度對 SiC 過衝的影響:SiC 強驅動關斷 (a);SiC 弱驅動關斷 (b)

表 2 列出了實際測量值以供比較。根據系統寄生效應和雜訊控制目標,您可以在過衝、dv/dt 和開關損耗之間進行權衡。
 

表 2、閘極驅動強度與 SiC FET 電壓轉換率、過衝結果與能量損耗間的關係
 
延長行駛里程
使用 UCC5880-Q1 的強大閘極驅動來降低 SiC 開關損耗時,效率提升可能非常顯著,具體取決於牽引逆變器的功率位準。如圖 7 所示,使用全球統一輕型車輛測試程序 (WLPT) 和實際駕駛記錄速度和加速度進行建模,其結果顯示 SiC 功率級效率提升高達 2%,相當於每顆電池額外增加 7 英里的行駛里程。這七英里可能決定了消費者能否及時找到充電樁或困在路上動彈不得。
 

圖 7、WLPT 和實測記錄速度和加速度直方圖
 
結論
隨著電動車牽引逆變器的功率位準接近 300 kW,對更高可靠性和更高效率的需求更為迫切。選擇具有即時可變閘極驅動強度的 SiC 隔離式閘極驅動器有助於實現這些目標。UCC5880-Q1 隨附設計支援工具,包括評估板、使用者手冊和功能安全手冊,可協助您進行設計。(1807字;圖8;表2)


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