隨著電動汽車 （EV） 制造商競相開發成本更低、行駛里程更長的車型，電子工程師面臨降低牽引逆變器功率損耗和提高系統效率的壓力，這樣可以延長行駛里程并在市場中獲得競爭優勢。功率損耗越低則效率越高，因為它會影響系統熱性能，進而影響系統重量、尺寸和成本。隨著開發的逆變器功率級別更高，每輛汽車的電機數量增加，以及卡車朝著純電動的方向發展，人們將持續要求降低系統功率損耗。

過去，牽引逆變器使用絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）。然而，隨著半導體技術的進步，碳化硅 （SiC） 金屬氧化物半導體場效應晶體管具有比 IGBT 更高的開關頻率，不僅可以通過降低電阻和開關損耗提高效率，還可以增加功率和電流密度。在 EV 牽引逆變器中驅動 SiC，尤其是在功率級別 》100kW 和使用 800V 電壓母線的情況下，系統需要一款具有可靠隔離技術、高驅動能力以及故障監控和保護功能的隔離式柵極驅動器。

牽引逆變器系統中的隔離式柵極驅動器

圖 1 所示的隔離式柵極驅動器集成電路是牽引逆變器電力輸送解決方案不可或缺的一部分。柵極驅動器提供從低壓到高壓（輸入到輸出）的電隔離，驅動基于 SiC 或 IGBT 的三相電機半橋的高側和低側功率級，并能夠在發生各種故障時實現監控和保護。

圖 1：EV 牽引逆變器方框圖

SiC米勒平臺和高強度柵極驅動器的優勢

針對 SiC，柵極驅動器必須盡可能降低包括開啟和關斷能量在內的導通和關斷損耗。MOSFET 數據表包含柵極電荷特性，在開通曲線上，有一部分區域平坦且水平，稱為米勒平臺，如圖 2 所示。MOSFET 在導通和關斷狀態間耗費的時間越長，損耗的功率就越多。

圖 2：MOSFET 導通特性和米勒平臺

當 SiC MOSFET 開關時，柵源電壓 （VGS） 通過柵源閾值 （VGSTH），被鉗位于米勒平臺電壓 （Vplt） 保持不變，因為電荷和電容是固定的。要使 MOSFET 開關，需要增加或去除足夠的柵極電荷。隔離柵極驅動器必須以大電流驅動 MOSFET 柵極，從而增加或去除柵極電荷，進而減少功率損耗。通過公式 1 對隔離柵極驅動器將增加或去除的所需 SiC MOSFET 電荷進行了計算，表明 MOSFET 柵極電流與柵極電荷成正比：

公式 1

其中，IGATE 是隔離柵極驅動器 IC 電流，tSW 是 MOSFET 的導通時間。

對于 ≥150kW 的牽引逆變器應用，隔離柵極驅動器應具有 》10A 的驅動能力，這樣可在米勒平臺區域內以高壓擺率對 SiC MOSFET 進行開關，同時達到更高的開關頻率。SiC MOSFET 具有較低的反向恢復電荷 （Qrr） 和在高溫下更穩定的導通電阻 （RDS（on）），可實現更高的開關速度。MOSFET 在米勒平臺停留的時間越短，功率損耗和自發熱就越低。

TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高驅動電流、符合 TI 功能安全標準的 30A 柵極驅動器，具有基本隔離或增強隔離等級功能，以及用于與微控制器進行故障通信的 SPI 串行外設接口數字總線。圖 3 對 UCC5870-Q1 和一同類競爭柵極驅動器間的 SiC MOSFET 導通情況進行了比較。UCC5870-Q1 柵極驅動器的峰值電流為 39A，并在米勒平臺保持 30A 的電流，導通速度非常快。通過比較兩個驅動器之間的藍色 VGATE 波形斜率，也可明顯看出其導通速度更快。米勒平臺電壓為 10V 時，UCC5870-Q1 的柵極驅動器電流為 30A，而同類競爭器件的柵極驅動器電流為 8A。

圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅動器與同類競爭器件

在導通 SiC MOSFET 方面的情況

隔離柵極驅動器的功率損耗來源

對柵極驅動器米勒平臺的比較也涉及柵極驅動器中的開關損耗，如圖 4 所示。通過比較發現，驅動器的開關損耗差異高達 0.6W。開關損耗是逆變器總體功率損耗的重要部分，因此，很有必要使用大電流柵極驅動器。

圖 4：柵極驅動器開關損耗與開關頻率之間的關系

熱耗散

功率損耗會導致溫度升高，因此需要使用外部散熱器或更厚的印刷電路板 （PCB） 銅層，這會使系統熱管理問題變得更加復雜。高驅動力有助于降低柵極驅動器的管殼溫度，因此不需要成本很高的散熱器或額外的 PCB 接地層來降低柵極驅動器的 IC 溫度。在圖 5 所示的熱圖像中，由于 UCC5870-Q1 的開關損耗較低，且在米勒平臺的驅動電流較高，因此其運行溫度降低了 15℃。

圖 5：UCC5870-Q1 和同類競爭柵極驅動器

在驅動 SiC FET 方面的熱耗散

結語

隨著 EV 牽引逆變器的功率增至 150kW 以上，選擇在米勒平臺區域具有超高驅動能力的隔離式柵極驅動器可減少 SiC MOSFET 的功率損耗，實現更快的開關頻率，從而提高效率，增加全新 EV 車型的行駛里程。同時，TI 符合功能安全標準的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30A 柵極驅動器提供了大量設計支持工具來幫助簡化設計。