降低碳化硅牵引逆变器的功率损耗和散热
随着电动汽车(EV)制造商之间在开发成本更低、行驶里程更长的车型方面的竞争日益激烈,电力**工程师面临着减少功率损耗和提高牵引逆变器**效率的压力,这可以提高行驶里程并提供竞争优势。效率与较低的功率损耗有关,这会影响热性能,进而影响**重量、尺寸和成本。随着具有更高功率水平的逆变器的开发,减少功率损耗的需求将继续存在,特别是随着每辆车电机数量的增加以及卡车向纯电动汽车的迁移。
牵引逆变器传统上使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。但随着半导体技术的进步,碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 能够以比 IGBT 更高的频率进行开关,通过降低电阻和开关损耗来提高效率,同时提高功率和电流密度。在电动汽车牵引逆变器中驱动 SiC MOSFET,尤其是在功率水平 >100 kW 和 800V 总线下,需要具有可靠隔离技术、高驱动强度以及故障监控和保护功能的隔离式栅极驱动器。
- 牵引逆变器**中的隔离式栅极驱动器
图1所示的隔离式栅极驱动器集成电路(IC)是牵引逆变器供电解决方案的组成部分。栅极驱动器提供低到高压(输入到输出)电流隔离,驱动基于 SiC 或 IGBT 的三相电机半桥的高侧和低侧功率级,并能够监控和保护各种故障情况。
图1:电动汽车牵引逆变器框图
- 碳化硅 MOSFET 米勒平台和高强度栅极驱动器的优势
特别是对于SiC MOSFET,栅极驱动器IC必须将开关和传导损耗(包括导通和关断能量)降至最低。MOSFET数据手册包括栅极电荷特性,在该曲线上,您会发现一个平坦的水平部分,称为米勒平台,如图2所示。MOSFET在导通和关断状态之间花费的时间越长,损失的功率就越多。
图 2:MOSFET 导通特性和米勒高原
当碳化硅MOSFET开关时,栅源电压(V )通过门到源阈值(V ),钳位在米勒平台电压(V),并且停留在那里,因为电荷和电容是固定的。让 MOSFET 开关需要增加或消除足够的栅极电荷。隔离式栅极驱动器必须以高电流驱动MOSFET栅极,以便增加或消除栅极电荷,以减少功率损耗。计算隔离式栅极驱动器将增加或消除所需的SiC MOSFET电荷,表明MOSFET栅极电流与栅极电荷成正比。 隔离式栅极驱动器IC的电流和t是 MOSFET 的导通时间。
对于 ≥150kW 牵引逆变器应用,隔离式栅极驱动器应具有 >10 A 的驱动强度,以便以高压摆率将 SiC FET 切换通过米勒平台,并利用更高的开关频率。碳化硅场效应晶体管具有较低的反向恢复电荷(Q)和更稳定的温度导通电阻(R ),可实现更高的开关速度。MOSFET在米勒高原停留的时间越短,功率损耗和自发热就越低。
TI 的UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1是高电流、符合 TI 功能安全标准的 30A 栅极驱动器,具有基本或增强隔离和串行外设接口数字总线,用于与微***进行故障通信。图 3 比较了 UCC5870-Q1 和竞争栅极驱动器之间的 SiC MOSFET 导通。UCC5870-Q1 栅极驱动器的峰值为 39 A,并通过米勒平台保持 30 A 的电流,从而实现更快的导通,这是首选结果。通过比较蓝色V,更快的开启速度也很明显。两个驱动器之间的波形斜坡。在 10 V 的米勒平台电压下,UCC5870-Q1 的栅极驱动器电流为 30 A,而竞争器件的栅极驱动器电流为 8 A。
图 3:比较 TI 的隔离式栅极驱动器与竞争器件打开 SiC FET 时的比较
- 隔离式栅极驱动器的功率损耗贡献
栅极驱动器-米勒平台比较还与栅极驱动器中的开关损耗有关,如图4所示。在此比较中,驱动器开关损耗差高达0.6 W。这些损耗会导致逆变器的总功率损耗,并加强对大电流栅极驱动器的需求。
图 4:栅极驱动器开关损耗与开关频率的关系
- 散热
功率损耗会导致温度升高,由于需要散热器或更厚的印刷电路板 (PCB) 铜层,可能会使热管理复杂化。高驱动强度有助于降低栅极驱动器的外壳温度,从而减少对更昂贵的散热器或额外的PCB接地层的需求,以降低栅极驱动器的IC温度。在图 5 所示的热图像中,UCC5870-Q1 的运行温度降低了 15°C,因为它具有较低的开关损耗和通过米勒平台的较高驱动电流。
图 5:UCC5870-Q1 的散热与驱动 SiC FET 的竞争栅极驱动器的比较
- 结论
随着电动汽车牵引逆变器的功率增加到 150 kW 以上,通过米勒平台选择具有最大电流强度的隔离式栅极驱动器可以降低 SiC MOSFET 功率损耗,实现更快的开关频率,从而提高效率,从而改善新的电动汽车型号的驱动范围。符合 TI 功能安全标准的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 栅极驱动器附带大量设计支持工具,可帮助实现。
来源: 碳化硅研习社
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