如何降低碳化硅Sic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，电力系统工程师面临着减少功率损耗和提高牵引逆变器系统效率的压力，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，进而影响系统重量、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。

- 牵引逆变器系统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，用于与微控制器进行故障通信。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。

编辑：黄飞