在電動汽車(EV)的發(fā)展進程中，牽引逆變器作為消耗電池電量的關(guān)鍵零部件，其效率和性能對車輛單次充電后的行駛里程起著決定性作用。當功率級別可達 150kW 甚至更高時，提升牽引逆變器的效率成為了行業(yè)內(nèi)亟待解決的重要問題。為此，業(yè)界廣泛采用碳化硅(SiC)場效應(yīng)晶體管(FET)來構(gòu)建下一代牽引逆變器系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)更高的可靠性、效率和功率密度。而實時可變柵極驅(qū)動強度這一新技術(shù)的出現(xiàn)，為進一步提高 SiC 牽引逆變器的效率提供了有效途徑。

實時可變柵極驅(qū)動強度的工作原理

隔離式柵極驅(qū)動器集成電路(IC)在牽引逆變器系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，它不僅提供從低電壓到高電壓(輸入到輸出)的電隔離，驅(qū)動逆變器每相的高邊和低邊功率模塊，還能監(jiān)測和保護逆變器免受各種故障的影響。并且，根據(jù)汽車安全完整性等級(ASIL)功能安全要求，柵極驅(qū)動器 IC 必須符合 ISO 26262 標準，以確保對單一故障和潛在故障具備高故障檢測率。

柵極驅(qū)動器 IC 的一項重要任務(wù)是盡可能高效地導通 SiC FET，同時將開關(guān)損耗降至最低。控制和改變柵極驅(qū)動電流強度具備降低開關(guān)損耗的能力，不過，這也會在開關(guān)期間導致開關(guān)節(jié)點處的瞬態(tài)過沖增加。通過改變柵極驅(qū)動電流，可以對 SiC 的開關(guān)速度進行有效控制。實時可變的柵極驅(qū)動電流功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對瞬態(tài)過沖的管理，并對整個高電壓電池能量周期進行設(shè)計優(yōu)化。在電池充滿電且荷電狀態(tài)處于 100% 至 80% 時，使用較低的柵極驅(qū)動強度，可將 SiC 電壓過沖維持在限制范圍內(nèi)。隨著電池電量從 80% 下降至 20%，采用較高的柵極驅(qū)動強度則能降低開關(guān)損耗，提高牽引逆變器效率。在充電周期的 75% 時間內(nèi)，這種方式對系統(tǒng)效率的提升效果顯著。

相關(guān)器件及應(yīng)用優(yōu)勢

以 UCC5880-Q1 這款適用于汽車應(yīng)用中牽引逆變器的 SiC 柵極驅(qū)動器為例，其最大驅(qū)動電流可達 20A，并具備多種保護功能。它的柵極驅(qū)動強度范圍在 5A 至 20A 之間，可通過一個 4MHz 雙向串行外設(shè)接口 SPI 總線或三個數(shù)字輸入引腳進行靈活調(diào)整。這種可變強度的設(shè)計，在控制過沖、提高效率和優(yōu)化熱性能方面展現(xiàn)出了獨特優(yōu)勢。

在評估牽引逆變器功率級開關(guān)性能時，雙脈沖測試(DPT)是一種標準方法。通過 DPT，可以在不同電流下閉合和斷開 SiC 功率開關(guān)，通過改變開關(guān)時間，能夠?qū)ぷ鳁l件下的 SiC 開啟和關(guān)斷波形進行控制和測量，這對于評估效率和 SiC 過沖具有重要意義，因為 SiC 過沖會對可靠性產(chǎn)生影響。從相關(guān)測試結(jié)果來看，具有可變強度的 SiC 柵極驅(qū)動器在控制過沖的同時，能更大限度地提高效率。在特定測試條件下，通過調(diào)整柵極驅(qū)動強度，可有效降低開啟和關(guān)斷開關(guān)能量損耗，同時合理控制最大電壓過沖以及 VDS 在開啟和關(guān)斷期間的開關(guān)速度。

實際應(yīng)用中的效率提升效果

使用 UCC5880-Q1 強大的柵極驅(qū)動控制功能來降低 SiC 開關(guān)損耗時，效率提升效果顯著，且這一效果與牽引逆變器的功率級別相關(guān)。通過使用全球統(tǒng)一輕型汽車測試程序(WLPT)以及實際駕駛計程速度和加速度進行建模顯示，SiC 功率級效率提升最高可達 2%，這一提升幅度相當于每塊電池能夠增加 11 公里的行駛里程。這看似微小的里程增加，在實際使用場景中卻可能產(chǎn)生重大影響，例如能夠幫助駕駛者避免因電量不足而被困在路上的情況。

UCC5880-Q1 還集成了 SiC 閾值監(jiān)測功能。在系統(tǒng)生命周期內(nèi)，每次電動汽車按鍵啟動時，該功能都會執(zhí)行閾值電壓測量，并向微控制器提供電源開關(guān)數(shù)據(jù)，以便預測電源開關(guān)故障，這進一步提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

隨著電動汽車牽引逆變器的功率級別不斷提升，接近 300kW 甚至更高，對更高可靠性和更高效率的需求變得愈發(fā)迫切。實時可變柵極驅(qū)動強度技術(shù)為滿足這一需求提供了有力支持，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，在提高效率的同時保障系統(tǒng)的可靠性，為電動汽車的發(fā)展注入新的動力，推動行業(yè)向更高性能、更可持續(xù)的方向邁進。