柵極驅動器和偏置電源如何助力不斷延長的電動汽車續航里程

由 MCU 和電流感測環路生成的控制信號會饋入功率級，而功率級是電池和電機之間的紐帶。功率級包括一個高壓直流總線，該總線通過一個與 IGBT 或 SiC MOSFET 等功率晶體管的三個相位相連的大電容器組去耦。功率級應該在將直流電壓轉換為交流時具有極小的功率損耗，并且尺寸較小，以便高效地使用電池，進而延長汽車的續航里程。然而，這是個挑戰，因為電壓和功率越高，元件的尺寸自然就越大。幸運的是，隨著相關技術的不斷突破，以相同元件尺寸提供更高的功率水平成為可能。

影響牽引逆變器尺寸的因素有以下兩個：高電壓晶體管的類型，以及電池的電壓電平。與具有相同額定電壓的 IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更低的開關損耗和更小的裸片尺寸，因此一些工程師會在牽引逆變器設計中采用 SiC MOSFET。當 SiC 晶體管受到妥善控制時，在逆變器的所有工作條件（例如溫度、速度和扭矩）下，它們的損耗更低，可靠性更高，因此能夠延長行駛里程。

雖然 SiC MOSFET 更高效，但是就像任何其他晶體管一樣，它們在開關時會產生一些功率損耗，而這些功率損耗會影響牽引逆變器的效率。在開關瞬變期間，電壓和電流邊沿會重疊并產生功率損耗，如圖 3 所示。高柵極驅動器輸出電流可以對 SiC FET 柵極進行快速充放電，從而實現較低的功率損耗。然而，開關行為會在溫度、電流和電壓范圍內發生變化，因此以盡可能快的速度進行開關并非盡如人意。SiC FET 上電壓的快速轉換（稱為漏源電壓 (VDS) 的瞬態電壓 (dv/dt)）會以傳導接地電流形式產生電壓過沖和電磁干擾 (EMI)。鑒于繞組間的電容可能發生短路，電機本身會受到高 dv/dt 的影響。柵極驅動器電路可以控制功率損耗和開關瞬態。

通過使用柵極電阻來控制柵極驅動器的輸出拉電流和灌電流，有助于優化 dv/dt 和功率損耗之間的權衡。圖 4 展示了一種柵極驅動器實現，該實現具有可調輸出驅動強度來針對溫度和電流范圍內的 SiC MOSFET 壓擺率變化進行優化。

可調節功能對牽引逆變器性能有利，因為它能夠實現更低的 EMI 和更低的損耗，進而提高效率來幫助延長行駛里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 柵極驅動器具有 30A 驅動強度，因此可以非常方便地基于更改和優化柵極電阻來實現可調柵極驅動解決方案。此外，它們具有電隔離和 100kV/μs CMTI，因此可以在采用快速開關 SiC 技術的高壓應用中輕松地使用。

電池的電壓電平也會影響系統中存在的 dv/dt 大小，當設計人員需要最大限度地降低 EMI，并且所選元件需要滿足各項隔離安全標準并保持相同的功率密度和面積時，這也會帶來挑戰。SiC MOSFET 以較小的裸片尺寸支持超過 1,200V 的高擊穿電壓，這可以為 800V 電動汽車電池應用打造高功率密度解決方案。

當電源需要具有隔離能力和良好的調節能力時，支持高電壓 SiC MOSFET 的柵極電壓要求變得非常具有挑戰性。從 SiC MOSFET 的電流電壓特征曲線中可以清楚地看到柵極電壓帶來的影響，如圖 5 所示，其中柵源電壓 (V_GS) 越高會導致線性區域的曲線斜率越大。曲線斜率較大意味著應減小漏源導通電阻 (R_DS(on))，以最大限度地減少導通損耗并避免熱失控。

為柵極驅動器提供電源和電壓的隔離式偏置電源應當在快速瞬變期間保持適當的正柵極電壓，并能夠支持負電壓來保持 SiC FET 安全關斷。隔離式電源通常采用集成半導體開關控制器的變壓器來生成。不過，從電氣效率和 EMI 的角度而言，變壓器的復雜設計會直接影響功率級的性能。繞組間電容會導致共模電流增加，而共模電流又會導致產生 EMI，因此該電容越小越好，但需要在尺寸、額定電壓和效率之間進行權衡，因而需要花更多的時間來設計。

借助 UCC14241-Q1 和 UCC1420-Q1 等集成式電源模塊，初級到次級隔離電容可以被很好地控制在 3.5pF 以下，從而使得快速開關 SiC MOSFET 的 CMTI 大于 150V/ns。HEV/EV 子系統設計逐漸朝著進一步集成的方向發展，例如將牽引逆變器與直流/直流轉換器結合使用。與采用反激式轉換器的典型偏置電源解決方案相比，UCC14241-Q1 可以讓物料清單 (BOM) 面積縮減約 40%，如圖 6 所示。其高度要比分立式變壓器設計低得多，因此重心更低，振動耐受度更高。所有這些因素都有助于提高牽引逆變器系統的可靠性和延長使用壽命，同時能夠提供正確的電壓來高效地驅動功率晶體管。