降低碳化硅Sic牽引逆變器的功率損耗和散熱

來源： 碳化硅研習(xí)社

隨著電動(dòng)汽車（EV）制造商之間在開發(fā)成本更低、行駛里程更長的車型方面的競爭日益激烈，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爭優(yōu)勢。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，特別是隨著每輛車電機(jī)數(shù)量的增加以及卡車向純電動(dòng)汽車的遷移。

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)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET） 能夠以比 IGBT 更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，通過降低電阻和開關(guān)損耗來提高效率，同時(shí)提高功率和電流密度。在電動(dòng)汽車牽引逆變器中驅(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

特別是對于SiC MOSFET，柵極驅(qū)動(dòng)器IC必須將開關(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，損失的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導(dǎo)通特性和米勒高原

當(dāng)碳化硅MOSFET開關(guān)時(shí)，柵源電壓（V ）通過門到源閾值（V ），鉗位在米勒平臺(tái)電壓（V），并且停留在那里，因?yàn)殡姾珊碗娙菔枪潭ǖ摹Ｗ?MOSFET 開關(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。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。 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IC的電流和t是 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間。

對于 ≥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 切換通過米勒平臺(tái)，并利用更高的開關(guān)頻率。碳化硅場效應(yīng)晶體管具有較低的反向恢復(fù)電荷（Q）和更穩(wěn)定的溫度導(dǎo)通電阻（R ），可實(shí)現(xiàn)更高的開關(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 和競爭柵極驅(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。通過比較藍(lán)色V，更快的開啟速度也很明顯。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，而競爭器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電流為 8 A。

圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與競爭器件打開 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)器中的開關(guān)損耗有關(guān)，如圖4所示。在此比較中，驅(qū)動(dòng)器開關(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)對大電流柵極驅(qū)動(dòng)器的需求。

圖 4：柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)損耗與開關(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^低的開關(guān)損耗和通過米勒平臺(tái)的較高驅(qū)動(dòng)電流。

圖 5：UCC5870-Q1 的散熱與驅(qū)動(dòng) SiC FET 的競爭柵極驅(qū)動(dòng)器的比較

- 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車牽引逆變器的功率增加到 150 kW 以上，通過米勒平臺(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)更快的開關(guān)頻率，從而提高效率，從而改善新的電動(dòng)汽車型號(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)。