栅极驱动器和偏置电源如何助力不断延长的电动汽车续航里程

由 MCU 和电流感测环路生成的控制信号会馈入功率级，而功率级是电池和电机之间的纽带。功率级包括一个高压直流总线，该总线通过一个与 IGBT 或 SiC MOSFET 等功率晶体管的三个相位相连的大电容器组去耦。功率级应该在将直流电压转换为交流时具有极小的功率损耗，并且尺寸较小，以便高效地使用电池，进而延长汽车的续航里程。然而，这是个挑战，因为电压和功率越高，元件的尺寸自然就越大。幸运的是，随着相关技术的不断突破，以相同元件尺寸提供更高的功率水平成为可能。

影响牵引逆变器尺寸的因素有以下两个：高电压晶体管的类型，以及电池的电压电平。与具有相同额定电压的 IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更低的开关损耗和更小的裸片尺寸，因此一些工程师会在牵引逆变器设计中采用 SiC MOSFET。当 SiC 晶体管受到妥善控制时，在逆变器的所有工作条件（例如温度、速度和扭矩）下，它们的损耗更低，可靠性更高，因此能够延长行驶里程。

虽然 SiC MOSFET 更高效，但是就像任何其他晶体管一样，它们在开关时会产生一些功率损耗，而这些功率损耗会影响牵引逆变器的效率。在开关瞬变期间，电压和电流边沿会重叠并产生功率损耗，如图 3 所示。高栅极驱动器输出电流可以对 SiC FET 栅极进行快速充放电，从而实现较低的功率损耗。然而，开关行为会在温度、电流和电压范围内发生变化，因此以尽可能快的速度进行开关并非尽如人意。SiC FET 上电压的快速转换（称为漏源电压 (VDS) 的瞬态电压 (dv/dt)）会以传导接地电流形式产生电压过冲和电磁干扰 (EMI)。鉴于绕组间的电容可能发生短路，电机本身会受到高 dv/dt 的影响。栅极驱动器电路可以控制功率损耗和开关瞬态。

通过使用栅极电阻来控制栅极驱动器的输出拉电流和灌电流，有助于优化 dv/dt 和功率损耗之间的权衡。图 4 展示了一种栅极驱动器实现，该实现具有可调输出驱动强度来针对温度和电流范围内的 SiC MOSFET 压摆率变化进行优化。

可调节功能对牵引逆变器性能有利，因为它能够实现更低的 EMI 和更低的损耗，进而提高效率来帮助延长行驶里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 栅极驱动器具有 30A 驱动强度，因此可以非常方便地基于更改和优化栅极电阻来实现可调栅极驱动解决方案。此外，它们具有电隔离和 100kV/µs CMTI，因此可以在采用快速开关 SiC 技术的高压应用中轻松地使用。

电池的电压电平也会影响系统中存在的 dv/dt 大小，当设计人员需要最大限度地降低 EMI，并且所选元件需要满足各项隔离安全标准并保持相同的功率密度和面积时，这也会带来挑战。SiC MOSFET 以较小的裸片尺寸支持超过 1,200V 的高击穿电压，这可以为 800V 电动汽车电池应用打造高功率密度解决方案。

当电源需要具有隔离能力和良好的调节能力时，支持高电压 SiC MOSFET 的栅极电压要求变得非常具有挑战性。从 SiC MOSFET 的电流电压特征曲线中可以清楚地看到栅极电压带来的影响，如图 5 所示，其中栅源电压 (V_GS) 越高会导致线性区域的曲线斜率越大。曲线斜率较大意味着应减小漏源导通电阻 (R_DS(on))，以最大限度地减少导通损耗并避免热失控。

为栅极驱动器提供电源和电压的隔离式偏置电源应当在快速瞬变期间保持适当的正栅极电压，并能够支持负电压来保持 SiC FET 安全关断。隔离式电源通常采用集成半导体开关控制器的变压器来生成。不过，从电气效率和 EMI 的角度而言，变压器的复杂设计会直接影响功率级的性能。绕组间电容会导致共模电流增加，而共模电流又会导致产生 EMI，因此该电容越小越好，但需要在尺寸、额定电压和效率之间进行权衡，因而需要花更多的时间来设计。

借助 UCC14241-Q1 和 UCC1420-Q1 等集成式电源模块，初级到次级隔离电容可以被很好地控制在 3.5pF 以下，从而使得快速开关 SiC MOSFET 的 CMTI 大于 150V/ns。HEV/EV 子系统设计逐渐朝着进一步集成的方向发展，例如将牵引逆变器与直流/直流转换器结合使用。与采用反激式转换器的典型偏置电源解决方案相比，UCC14241-Q1 可以让物料清单 (BOM) 面积缩减约 40%，如图 6 所示。其高度要比分立式变压器设计低得多，因此重心更低，振动耐受度更高。所有这些因素都有助于提高牵引逆变器系统的可靠性和延长使用寿命，同时能够提供正确的电压来高效地驱动功率晶体管。