SiC MOSFET電動汽車牽引逆變器設計

工程師面臨著對現代電動汽車 (EV) 性能和里程的權衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更頻繁、更耗時的充電站。另外，更長里程要求造成了各項進展的不確定性。為了增加續航能力，同時為駕駛者提供更高的性能，工程師需要設計驅動系統，確保盡可能多的電池能量轉移到驅動輪上。同樣重要的是，需要保持驅動系統足夠小，以適應車輛的限制。這些雙重需求需要高效率和高能量密度的組件。

電動汽車驅動系統的關鍵部件是三相電壓源逆變器(或稱“牽引逆變器”) ，它將電池的直流電壓轉換為車輛電機所需的交流電。打造一個高效的牽引逆變器對于平衡性能和里程至關重要，而提高效率的關鍵途徑之一就是適當使用寬帶隙(WBG) 、碳化硅 (SiC) 半導體器件。

本文將先介紹電動汽車牽引逆變器的作用;然后解釋用SiC功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) 設計該裝置時，如何才能打造出比使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 更高效的電動車驅動系統;文章最后介紹了一個基于SiC MOSFET的牽引逆變器實例，并說明了最大限度地提高該裝置效率的設計技巧。

什么是牽引逆變器?

電動汽車牽引逆變器將車輛的高壓 (HV) 電池提供的直流電轉換為電機所需的交流電，以產生移動車輛所需的扭矩。牽引逆變器的電氣性能對車輛的加速和行駛里程有很大影響。

現代牽引逆變器的高壓電池驅動系統電壓為400伏，或者到最近的800伏。在牽引逆變器電流為300安培 (A) 或更大的情況下，由800伏電池系統供電的設備能夠提供超過200千瓦 (KW) 的功率。隨著功率的攀升，逆變器的尺寸也在縮小，大大增加了功率密度。

擁有400伏電池系統的電動車需要牽引逆變器采用額定電壓為600至750伏的功率半導體器件，而800伏的車輛則需要額定電壓為900至1200伏的半導體器件。牽引逆變器中使用的功率元件也必須能夠處理30秒 (s) 超過500A的峰值交流電流和1毫秒 (ms) 內1600A的最大交流電流。此外，用于該設備的開關晶體管和柵極驅動器也必須能夠處理這些大的負載，同時保持高的牽引逆變器效率(表1)。

表1：2021年典型牽引逆變器要求;與2009年相比，如表所示能量密度要求增加了250%。(圖片來源：StevenKeeping)

牽引逆變器通常包括三個半橋元件(高壓側加低壓側開關)，每個電機相位都有一個，柵極驅動器控制著每個晶體管的低壓側開關。整個組件必須與為車輛其他系統供電的低壓 (LV) 電路進行電隔離(圖1)。

圖1：電動車需要一個三相電壓源逆變器(牽引逆變器)以將高壓 (HV) 直流電池電源轉換為車輛電機所需的交流電源。高壓系統，包括牽引逆變器，與車輛的傳統12伏系統隔離。(圖片來源：onsemi)

圖1所示例子中的開關是IGBT。這類逆變器一直是牽引逆變器的熱門選擇，因為它們能夠處理高電壓，開關迅速，提供良好的效率，而且價格相對便宜。然而，隨著SiC功率MOSFET成本的下降和它們在商業上的普及，工程師們正在轉向這些元件，因為它們比IGBT具有明顯的優勢。

用于高效柵極驅動器的SiC MOSFET的優勢

與傳統硅 (Si) MOSFET和IGBT相比，SiC功率MOSFET的關鍵性能優勢來自于器件的WBG半導體襯底。硅MOSFET的帶隙能量為1.12電子伏特 (eV) ，而SiC MOSFET為3.26eV。這意味著WBG晶體管可以承受比硅器件高得多的擊穿電壓，以及由此產生的擊穿場電壓比硅器件高十倍左右。高擊穿場電壓允許在既定電壓下減少器件的厚度，降低“導通”電阻 (RDS(ON))，從而減少開關損耗并提高載流能力。

SiC的另一個關鍵優勢是它的導熱性，大約比Si高三倍。較高的導熱性能使得在一定的功率耗散下結溫(Tj) 上升較小。SiC MOSFET還可以容忍比Si更高的最大結溫 (Tj(max) ) 。硅MOSFET的典型Tj(max)值為150?C;SiC器件可以承受高達600?C的Tj(max)，盡管商業器件的額定溫度通常為175至200?C。表2提供了Si和4H-SiC(通常用于制造MOSFET的SiC結晶形式)之間的性能比較。

表2：SiC MOSFET的擊穿電場、熱導率和最大結溫使之成為大電流和高電壓開關應用中比Si更好的選擇。(圖片來源：onsemi)

高擊穿電壓、低 RDS(ON)、高導熱性和高Tj(max)使得SiCMOSFET能夠處理比類似尺寸的Si MOSFET高得多的電流和電壓。

IGBT也能夠處理高電壓和高電流，并且往往比SiC MOSFET更便宜——這是它們在牽引逆變器設計中得到青睞的一個關鍵原因。IGBT也有缺點，特別是當開發者希望最大限度地提高能量密度時，由于其“尾電流”和相對較慢的關斷速度，對最大工作頻率有限制。相比之下，SiCMOSFET能夠處理與Si MOSFET相同的高頻開關，但具有IGBT的電壓和電流處理能力。

SiC MOSFET應用越來越廣泛

直到最近，由于SiC MOSFET的價格相對較高，它們的使用僅限于豪華電動車的牽引逆變器，但價格的下降使SiCMOSFET成為更多應用的選擇。

Onsemi的NTBG020N090SC1和NTBG020N120SC1是這種新一代SiC功率MOSFETS的兩個實例。這兩種器件的主要區別是：前者的最大漏源極擊穿電壓(V (BR)DSS) 為900伏，柵源電壓(VGS) 為0伏，連續漏極電流 (ID)為1毫安 (mA);而后者的最大V(BR)DSS為1200伏(在相同條件下)。這兩個器件的最大Tj是175?C。這兩個器件都是單N溝道MOSFET，采用D2PAK-7L封裝(圖2)。

圖2：NTBG020N090SC1和NTBG020N120SC1N溝道SiC功率MOSFET都采用D2PAK-7L封裝，主要區別在于其V(BR)DSS值分別為900和1200伏。(圖片來源：Steven Keeping，使用了onsemi的材料)

NTBG020N090SC1的RDS(ON)為20毫歐 (mΩ)，VGS為15伏(ID = 60 A, Tj= 25?C)，RDS(ON)為16mΩ，VGS為18伏(ID = 60A, Tj = 25?C)。最大連續漏源二極管正向電流(ISD) 為148A(VGS=-5V，Tj = 25?C)，最大脈沖漏源二極管正向電流 (ISDM) 為448A(VGS = -5V，Tj =25?C)。

NTBG020N120SC1則在VGS為20伏時具有28mΩ的RDS(ON) (ID= 60A, Tj = 25?C)。最大ISD為46A(VGS = ?5V，Tj = 25?C)，最大ISDM是392A(VGS = ?5V，Tj = 25?C).

使用SiC MOSFET進行設計

盡管SiC MOSFET具有優勢，但希望將SiC MOSFET納入其牽引逆變器設計的設計人員應該注意一個重要的復雜問題，即這種晶體管有棘手的柵極驅動要求。其中一些挑戰來自于這樣一個事實：與SiMOSFET相比，SiC MOSFET表現出較低的跨導、較高的內部柵極電阻，并且柵極開啟閾值可能低于2伏。因此，在關斷狀態下，柵極必須被拉到地電位以下(通常為-5V)，以確保正確的開關。

然而，關鍵的柵極驅動挑戰來自于必須應用大的VGS(高達20V)以確保低RDS(ON)。在太低的VGS下操作SiC MOSFET可能會導致熱應力，甚至由于功率耗散而失效(圖3)。

圖3：對于NTBG020N090SC1 SiC MOSFET，需要高VGS以避免高RDS(ON)帶來熱應力。(圖片來源：onsemi)

此外，由于SiC MOSFET是一個低增益器件，設計者在設計柵極驅動電路時必須考慮到這對其他幾個重要動態特性的影響。這些特性包括柵極電荷米勒平臺和對過流保護的要求。

這些復雜的設計要求專用柵極驅動器具有以下屬性：

能夠提供-5至20伏的VGS驅動，以充分利用SiC MOSFET的性能優勢。為了提供足夠的開銷以滿足這一要求，柵極驅動電路應能承受VDD = 25V和VEE = -10V。

VGS必須有快速的上升和下降邊緣，大約為幾納秒(ns)。

柵極驅動必須能夠在整個MOSFET米勒平臺區域內提供數安培的高峰值柵極電流。

灌電流的額定值應超過僅對SiC MOSFET的輸入電容放電所需的電流。對于高性能的半橋電源拓撲結構，應考慮10A級的最小峰值灌電流額定值。

實現高速開關的低寄生電感。

小型驅動器封裝能夠盡可能地靠近SiC MOSFET，以提高能量密度。

去飽和 (DESAT) 功能能夠進行檢測、故障報告和保護，以實現長期可靠的運行。

一個VDD欠壓鎖定 (UVLO) 電平與開關開始前VGS> 16V的要求相匹配。

提供VEE UVLO監測能力，以確保負電壓軌在可接受的范圍內。

Onsemi已推出一款柵極驅動器，旨在滿足牽引逆變器設計的上述要求。

NCP51705MNTXG SiC MOSFET柵極驅動器具有高集成度，因此不僅與其SiC MOSFET兼容，而且與眾多制造商的產品兼容。該器件包括許多通用柵極驅動器所共有的基本功能，但也具有使用最小外部元件設計可靠的SiCMOSFET柵極驅動電路所必需的專門要求。

例如，NCP51705MNTXG集成了一個DESAT功能，只需使用兩個外部元件就可以實現。DESAT是IGBT和MOSFET的一種過流保護形式，用于監測故障，據此VDS就可以上升到最大ID。這可能會影響效率，在最壞的情況下，可能會損壞MOSFET。圖4顯示了NCP51750MNTXG如何通過R1和D1的DESAT引腳來監測MOSFET(Q1) 的VDS。

圖4：NCP51705MNTXG的DESAT功能能夠測量VDS在最大ID期間的異常行為，并實現過流保護。(圖片來源：onsemi)

NCP51705MNTXG柵極驅動器還具有可編程的欠壓鎖定功能。在驅動SiC MOSFET時，這是一個重要的功能，因為開關元件的輸出應該被禁用，直到VDD高于一個已知的閾值。允許驅動器在低VDD下開關MOSFET會損壞器件。NCP51705MNTXG的可編程UVLO不僅可以保護負載，而且可以向控制器驗證所施加的VDD是否高于開啟閾值。UVLO的開啟閾值是通過UVSET和SGND之間的一個電阻設置的(圖5)。

圖5：NCP51705MNTXG SiC MOSFET的UVLO開啟閾值通過UVSET電阻RUVSET設置，具體阻值根據所需的UVLO開啟電壓VON選擇。(圖片來源：onsemi)

牽引逆變器的數字隔離

為了完成牽引逆變器的設計，工程師必須確保車輛的低壓側電子設備與通過逆變器的高電壓和電流隔離(上圖2)。然而，由于控制高壓柵極驅動器的微處理器在低壓側，任何隔離都必須允許數字信號從微處理器傳遞到柵極驅動器。Onsemi也提供了一種實現這種功能的元件，即NCID9211R2，一種高速、雙通道、雙向陶瓷數字隔離器。

NCID9211R2是一個電隔離的全雙工數字隔離器，允許數字信號在系統之間傳遞而不產生接地回路或危險電壓。該設備具有2000伏峰值最大工作絕緣能力，100千伏/毫秒(kV/ms) 的共模抑制，以及每秒50兆比特(Mbit/s) 的數據吞吐量。

圖6所示為片外陶瓷電容器構成的隔離柵。

圖6：NCID9211R2數字隔離器單通道結構的框圖。片外電容器構成了隔離柵。(圖片來源：onsemi)

數字信號使用ON-OFF開關鍵控 (OOK) 調制方式穿過隔離柵進行傳輸。在發射器一側，VIN輸入邏輯狀態被高頻載波信號調制。由此產生的信號被放大并傳輸到隔離柵。接收端檢測隔離柵信號，并使用包絡檢測技術對其進行解調(圖7)。當輸出允許控制EN為高電平時，輸出信號決定了VO的輸出邏輯狀態。當發射器電源關閉，或VIN輸入斷開時，VO默認為高阻抗低電平狀態。