在電動(dòng)汽車(EV)的發(fā)展進(jìn)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(duì)車輛單次充電后的行駛里程起著決定性作用。當(dāng)功率級(jí)別可達(dá) 150kW 甚至更高時(shí)，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(chǎng)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(shí)現(xiàn)更高的可靠性、效率和功率密度。而實(shí)時(shí)可變柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度這一新技術(shù)的出現(xiàn)，為進(jìn)一步提高 SiC 牽引逆變器的效率提供了有效途徑。

實(shí)時(shí)可變柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的工作原理

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)逆變器每相的高邊和低邊功率模塊，還能監(jiān)測(cè)和保護(hù)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(jí)(ASIL)功能安全要求，柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 必須符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，以確保對(duì)單一故障和潛在故障具備高故障檢測(cè)率。

柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的一項(xiàng)重要任務(wù)是盡可能高效地導(dǎo)通 SiC FET，同時(shí)將開關(guān)損耗降至最低?？刂坪透淖儢艠O驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度具備降低開關(guān)損耗的能力，不過，這也會(huì)在開關(guān)期間導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的瞬態(tài)過沖增加。通過改變柵極驅(qū)動(dòng)電流，可以對(duì) SiC 的開關(guān)速度進(jìn)行有效控制。實(shí)時(shí)可變的柵極驅(qū)動(dòng)電流功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瞬態(tài)過沖的管理，并對(duì)整個(gè)高電壓電池能量周期進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在電池充滿電且荷電狀態(tài)處于 100% 至 80% 時(shí)，使用較低的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)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(shí)間內(nèi)，這種方式對(duì)系統(tǒng)效率的提升效果顯著。

相關(guān)器件及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(dòng)器為例，其最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 20A，并具備多種保護(hù)功能。它的柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度范圍在 5A 至 20A 之間，可通過一個(gè) 4MHz 雙向串行外設(shè)接口 SPI 總線或三個(gè)數(shù)字輸入引腳進(jìn)行靈活調(diào)整。這種可變強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，在控制過沖、提高效率和優(yōu)化熱性能方面展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在評(píng)估牽引逆變器功率級(jí)開關(guān)性能時(shí)，雙脈沖測(cè)試(DPT)是一種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間，能夠?qū)ぷ鳁l件下的 SiC 開啟和關(guān)斷波形進(jìn)行控制和測(cè)量，這對(duì)于評(píng)估效率和 SiC 過沖具有重要意義，因?yàn)?SiC 過沖會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生影響。從相關(guān)測(cè)試結(jié)果來看，具有可變強(qiáng)度的 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器在控制過沖的同時(shí)，能更大限度地提高效率。在特定測(cè)試條件下，通過調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，可有效降低開啟和關(guān)斷開關(guān)能量損耗，同時(shí)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(shí)際應(yīng)用中的效率提升效果

使用 UCC5880-Q1 強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)控制功能來降低 SiC 開關(guān)損耗時(shí)，效率提升效果顯著，且這一效果與牽引逆變器的功率級(jí)別相關(guān)。通過使用全球統(tǒng)一輕型汽車測(cè)試程序(WLPT)以及實(shí)際駕駛計(jì)程速度和加速度進(jìn)行建模顯示，SiC 功率級(jí)效率提升最高可達(dá) 2%，這一提升幅度相當(dāng)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(shí)際使用場(chǎng)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(cè)功能。在系統(tǒng)生命周期內(nèi)，每次電動(dòng)汽車按鍵啟動(dòng)時(shí)，該功能都會(huì)執(zhí)行閾值電壓測(cè)量，并向微控制器提供電源開關(guān)數(shù)據(jù)，以便預(yù)測(cè)電源開關(guān)故障，這進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

隨著電動(dòng)汽車牽引逆變器的功率級(jí)別不斷提升，接近 300kW 甚至更高，對(duì)更高可靠性和更高效率的需求變得愈發(fā)迫切。實(shí)時(shí)可變柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(shí)保障系統(tǒng)的可靠性，為電動(dòng)汽車的發(fā)展注入新的動(dòng)力，推動(dòng)行業(yè)向更高性能、更可持續(xù)的方向邁進(jìn)。