牵引逆变器@@@@是电动汽车@@@@ (EV) 中消耗电池电量的@@主要零部件@@，功率级别可达@@ 150kW 或@@更高@@。牵引逆变器@@@@的@@效率@@和@@性能直接影响电动汽车@@单次充电后的@@行驶里程@@。因此@@，为了构建下一代牵引逆变器@@@@系统@@，业界广泛采用碳化硅@@ (SiC) 场效应晶体管@@ (FET) 来实现更高的@@可靠性@@、效率和@@功率密度@@。
图@@ 1 所示@@的@@隔离式栅极驱动器@@集成电路@@ (IC) 提供从低电压到高电压@@（输入到输出@@）的@@电隔离@@，驱动逆变器@@每相的@@高边和@@低边@@功率模块@@，并监测和@@保护逆变器@@免受各种故障的@@影响@@。根据汽车@@安全完整性等级@@ (ASIL) 功能安全要求@@，栅极驱动器@@ IC 必须符合@@ ISO 26262 标准@@，确保对单一故障和@@潜在故障的@@故障检测率分别为@@ ≥99% 和@@ ≥90%。
在本文中@@，我们将@@重点介绍实时可变栅极驱动强度的@@技术@@优势@@，这@@项新功能可让设计人员优化系统参数@@，例如效率@@（影响电动汽车@@行驶里程@@）和@@ SiC 过冲@@（影响可靠性@@）。
图@@ 1：电动汽车@@牵引逆变器@@@@框图@@@@@@
通过实时可变栅极驱动强度提高@@效率@@
栅极驱动器@@ IC 必须尽可能高效地导通@@ SiC FET，同时尽可能降低开关损耗@@。控制和@@改变栅极驱动电流强度的@@能力可降低开关损耗@@，但代价是在开关期间增加了开关节点处的@@瞬态过冲@@@@。改变栅极驱动电流可控制@@ SiC 的@@开关速度@@@@，如图@@@@ 2 所示@@。
图@@ 2：通过改变栅极驱动器@@@@ IC 驱动强度控制@@ SiC 开关速度@@
栅极驱动电流的@@实时可变功能可实现瞬态过冲@@管理以及整个高电压电池能量周期的@@设计优化@@。充满电且荷电状态为@@ 100% 至@@ 80% 的@@电池应使用@@较低栅极驱动强度@@，将@@ SiC 电压过冲@@保持在限制范围内@@。随着电池电量从@@ 80% 降至@@@@ 20%，采用较高栅极驱动强度可降低开关损耗并提高@@牵引逆变器@@@@效率@@，在充电周期@@ 75% 的@@时间内都属于这@@种情况@@，因此@@对系统效率的@@提升非常明显@@。图@@ 3 展示了@@典型的@@瞬态过冲@@与电池峰值电压和@@电量状态的@@关系@@@@。
图@@ 3：瞬态过冲@@与电池峰值电压和@@电量状态的@@关系@@
UCC5880-Q1 是一款最大@@ 20A 的@@ SiC 栅极驱动器@@，具有多种保护功能@@，适用于汽车@@应用中的@@牵引逆变器@@@@@@。其栅极驱动强度介于@@ 5A 至@@ 20A 之间@@，并且可通过一个@@ 4MHz 双向串行外设接口@@ SPI 总线@@或@@三个数字输入引脚进行调整@@。图@@ 4 展示了@@实现可变栅极驱动强度的@@双分离输出的@@实现方案@@。
图@@ 4：UCC5880-Q1 的@@双路输出分离栅极驱动结构@@
使用@@ DPT 评估功率级开关@@
评估牵引逆变器@@@@功率级开关性能的@@标准@@方法是双脉冲测试@@ (DPT)，它可以在不同电流下闭合和@@断开@@ SiC 功率开关@@。通过改变开关时间@@，可以控制和@@测量工作条件下的@@@@ SiC 开启和@@关断@@波形@@，从而有助于评估效率和@@@@ SiC 过冲@@，后者会影响可靠性@@@@。图@@ 5 展示了@@ UCC5880-Q1 低边@@ DPT 设置的@@可变强度栅极驱动器@@和@@@@ SiC 半桥的@@连接图@@@@。
图@@ 5：低边@@ DPT 框图@@@@
表@@ 1 的@@结果展示了@@具有可变强度的@@@@ SiC 栅极驱动器@@如何帮助控制过冲@@@@，同时更大限度地提高@@效率和@@优化热性能@@。EON 和@@ EOFF 分别是@@开启和@@关断@@开关能量损耗@@。VDS,MAX 是最大电压过冲@@@@，TOFF 和@@ TON dv/dt 分别是@@ VDS 在开启和@@关断@@期间的@@开关速度@@@@@@。
表@@ 1：DPT 摘要@@（800V 总线@@，540A 负载电流@@，从左到右依次为最高到最低栅极驱动@@）
缓解过冲@@@@
图@@ 6 的@@波形展示了@@可变栅极驱动强度对@@ SiC 过冲@@的@@影响@@，因为@@ UCC5880-Q1 栅极驱动电阻和@@驱动强度是实时控制的@@@@。使用@@较低的@@栅极驱动@@（SiC 关断@@）可减轻功率级过冲@@@@。
图@@ 6：实时可变栅极驱动强度对@@ SiC 过冲@@的@@影响@@：SiC 强驱动关断@@@@ (a)；SiC 弱驱动关断@@@@ (b)
表@@ 2 列出了用于比较的@@实际测量值@@。根据系统寄生效应和@@噪声控制目标@@，您可以相应地在过冲@@@@、dv/dt 和@@开关损耗之间@@进行权衡@@。
表@@ 2：栅极驱动强度与@@ SiC FET 开关速度@@、过冲@@结果和@@能量损耗间的@@关系@@
延长行驶里程@@
使用@@ UCC5880-Q1 的@@强大栅极驱动控制功能来降低@@ SiC 开关损耗时@@，效率提升可以非常显著@@，具体取决于牵引逆变器@@@@的@@功率级别@@。如图@@@@ 7 所示@@，使用@@全球统一轻型汽车@@测试程序@@ (WLPT) 和@@实际驾驶计程速度和@@加速度进行建模表@@明@@，SiC 功率级效率提升可高达@@ 2%，相当于每块电池增加@@ 11 公里的@@行驶里程@@。这@@ 11 公里可能决定着消费者是找到充电桩还是被困在路上@@。
图@@ 7：WLPT 和@@真实计程速度和@@加速度直方图@@@@
UCC5880-Q1 还包括@@ SiC 栅极电压阈值监测功能@@，可在系统生命周期内电动汽车@@每次按键启动时执行阈值电压测量@@，并向微控制器提供电源开关数据@@，用于预测电源开关故障@@。
结语@@
随着电动汽车@@牵引逆变器@@@@的@@功率级别接近@@ 300kW，人们迫切需要更高的@@可靠性和@@更高的@@效率@@。选择具有实时可变栅极驱动强度的@@@@ SiC 隔离式栅极驱动器@@有助于实现上述目标@@。UCC5880-Q1 附带设计支持工具@@，包括评估板@@、用户指南和@@功能安全手册@@，可协助您进行设计@@。
其他资源@@
阅读@@白皮书@@“牵引逆变器@@@@ – 汽车@@电气化的@@推动力@@”。
阅读@@ TI E2E™ 技术@@文章@@“提高@@电动汽车@@牵引逆变器@@@@系统的@@安全性@@”。
关于德州仪器@@@@（TI）
德州仪器@@（TI）（纳斯达克股票代码@@：TXN）是一家全球性的@@半导体公司@@，致力于设计@@、制造@@、测试和@@销售模拟和@@嵌入式处理芯片@@，用于工业@@、汽车@@、个人电子@@产品@@、通信设备@@和@@企业系统等市场@@。我们致力于通过半导体技术@@让电子@@产品更经济实用@@，创造一个更美好的@@世界@@。如今@@，每一代创新都建立在上一代创新的@@基础之上@@，使我们的@@技术@@变得更小巧@@、更快速@@、更可靠@@、更实惠@@，从而实现半导体在电子@@产品领域的@@广泛应用@@，这@@就是工程的@@进步@@。这@@正是我们数十年来乃至@@现在一直在做的@@事@@。欲了解更多信息@@，请访问公司网@@站@@www.ti.com.cn。