牽引逆變器是電動車(EV)中的主要耗電零件,功率位準達到150kW以上。牽引逆變器的效率和性能直接影響了電動車單次充電後的行駛里程。因此,為了打造下一代牽引逆變器系統,業界廣泛採用碳化矽(SiC)場效應電晶體 (FET) 來實現更高的可靠性、效率和功率密度。
隔離式閘極驅動器積體電路(IC)提供從低電壓到高電壓(輸入到輸出)的電流隔離,驅動SiC式逆變器每相的高側和低側功率級,並監視和保護逆變器免受各種故障的影響。根據汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Level, ASIL)功能安全要求,閘極驅動器IC必須符合國際標準化組織(ISO)26262標準,確保對單一故障和潛在故障的故障偵測率分別為≥99%和≥90%。
閘極驅動器IC必須盡可能以高效率導通SiC FET,同時盡量降低包括導通和關斷能量在內的開關和傳導損耗。控制和改變閘極驅動電流強度的能力降低了開關損耗,但代價是在開關期間增加了開關節點處的瞬態過衝。改變閘極驅動電流可控制SiC FET的電壓轉換率。
閘極驅動電流的即時可變性可實現瞬態過衝管理,以及整個高壓電池能量週期的設計最佳化。充滿電且電量狀態為100%至80%的電池應使用低閘極驅動強度,將SiC電壓過衝保持在限制範圍內。當電池電量從80%下降到20%時,採用高閘極驅動強度可降低開關損耗並提高牽引逆變器效率。這些情況可能發生在75%的充電週期內,因此效率提升顯著。
UCC5880-Q1是一款20A SiC閘極驅動器,具備進階保護功能,適用於汽車應用中的牽引逆變器。其閘極驅動強度介於5A到20A之間,可透過一個4MHz雙向序列周邊介面匯流排或三個數位輸入針腳進行調整。
評估牽引逆變器功率級開關性能的標準方法是雙脈衝測試(DPT),它會在不同的電流下開啟和關閉SiC電源開關。透過改變開關時間,可以控制和測量工作條件下SiC導通和關斷波形,有助於評估影響可靠性的效率和SiC過衝。UCC5880-Q1可即時控制閘極驅動電阻和驅動強度。啟用較低的閘極驅動(SiC關斷)可減輕功率級過衝。
使用UCC5880-Q1的閘極驅動來降低SiC開關損耗時,效率提升可能非常顯著,具體取決於牽引逆變器的功率位準。使用全球統一輕型車輛測試程序(WLPT)和實際駕駛記錄速度和加速度進行建模,其結果顯示SiC功率級效率提升達2%,相當於每顆電池額外增加7英里的行駛里程。
UCC5880-Q1也包括SiC閘極電壓閾值監控功能,可在系統生命週期內每次電動車啟動時執行閾值電壓測量,並可向微控制器提供電源開關資料,以用於電源開關故障預測。
隨著電動車牽引逆變器的功率位準接近300kW,對更高可靠性和更高效率的需求更為迫切。選擇具有即時可變閘極驅動強度的SiC隔離式閘極驅動器有助於實現這些目標。