隨著電動汽車（EV）制造商之間在開發成本更低、行駛里程更長的車型方面的競爭日益激烈，電力系統工程師面臨著減少功率損耗和提高牽引逆變器系統效率的壓力，這可以改善行駛里程并提供競爭優勢。效率與較低的功率損耗有關，這會影響熱性能，進而影響系統重量、尺寸和成本。隨著具有更高功率水平的逆變器的開發，減少功率損耗的需求將繼續存在，特別是隨著每輛車的電機數量的增加，卡車將遷移到純電動汽車。

牽引逆變器傳統上使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。但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（MOSFET）提供了以比IGBT更高的頻率進行切換的能力，通過降低電阻和開關損耗來提高效率，同時增加功率和電流密度。在 EV 牽引逆變器中驅動 SiC MOSFET，特別是在功率水平>100 kW 和 800V 總線下，需要一個具有可靠隔離技術、高驅動強度以及故障監測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（IC）是牽引逆變器供電解決方案的一個組成部分。柵極驅動器提供低到高壓（輸入到輸出）電流隔離，驅動基于SiC或基于IGBT的三相電機半橋的高側和低側功率級，并能夠監控和防范各種故障情況。

圖1：EV牽引逆變器框圖

碳化硅MOSFET米勒平臺和高強度柵極驅動器的優勢

特別是對于SiC MOSFET，柵極驅動器IC必須將開關和傳導損耗（包括匝斷和關斷能量）降至最低。MOSFET數據手冊包括柵極電荷特性，在該曲線上，您會發現一個平坦的水平部分，稱為米勒平臺，如圖2所示。MOSFET在開/關狀態之間花費的時間越多，損耗的功率就越多。

圖2：MOSFET岔路特性和米勒平臺

當碳化硅 MOSFET 切換時，柵極至源極電壓 （V 一般事務 ） 通過門到源閾值 （V 研究生院 ），箝位在米勒平臺電壓 （V） 鉑金 ），并保持在那里，因為電荷和電容是固定的。要使 MOSFET 切換，需要添加或刪除足夠的柵極電荷。隔離式柵極驅動器必須以高電流驅動 MOSFET 柵極，以增加或移除柵極電荷，從而降低功率損耗。等式1計算了隔離式柵極驅動器將添加或移除所需的SiC MOSFET電荷，表明MOSFET柵極電流與柵極電荷成正比：

Q 門 = I 門 × t 西 南部 (1)

我在哪里門是隔離式柵極驅動器 IC 電流和 t西 南部是場效應管的通車時間。

對于≥150 kW牽引逆變器應用，隔離式柵極驅動器應具有>10 A的驅動強度，以高壓擺率將SiC FET通過米勒平臺，并利用更高的開關頻率。碳化硅 FET 具有較低的反向恢復電荷 （Q 斷續器 ） 和更穩定的過溫導通電阻 （R 斷續器（on） ） 可實現更高的開關速度。MOSFET在米勒高原停留的時間越短，功率損耗和自發熱就越低。

TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高電流、符合 TI 功能安全標準的 30-A 柵極驅動器，具有基本或增強型隔離功能，并具有串行外設接口數字總線，用于與微控制器進行故障通信。圖3比較了UCC5870-Q1和競爭柵極驅動器之間的碳化硅MOSFET導通。UCC5870-Q1 柵極驅動器的峰值為 39 A，通過米勒平臺可保持 30 A 的電流，從而實現更快的岔通，這是首選結果。通過比較藍色V，更快的轉動也很明顯門兩個驅動器之間的波形斜坡。在米勒平臺電壓為 10 V 時，UCC5870-Q1 的柵極驅動器電流為 30 A，而競爭器件的柵極驅動器電流為 8 A。

圖 3：比較 TI 的隔離式柵極驅動器與競爭器件在打開 SiC FET 時

隔離式柵極驅動器的功率損耗貢獻

柵極驅動器米勒平臺比較也與柵極驅動器中的開關損耗有關，如圖4所示。在此比較中，驅動器開關損耗差高達0.6 W。這些損耗會導致逆變器的整體功率損耗，并加強對高電流柵極驅動器的需求。

圖 4：柵極驅動器開關損耗與開關頻率的關系

散熱

功率損耗導致溫度升高，這會使熱管理復雜化，因為需要散熱器或更厚的印刷電路板（PCB）銅層。高驅動強度有助于降低柵極驅動器的外殼溫度，從而減少了對更昂貴的散熱器或額外的PCB接地層的需求，以散熱柵極驅動器的IC溫度。在圖5所示的熱圖像中，UCC5870-Q1的運行溫度為15°C，因為它的開關損耗較低，通過米勒平臺的驅動電流較高。

圖 5：UCC5870-Q1 與驅動 SiC FET 的競爭柵極驅動器的熱耗散

結論

隨著電動汽車牽引逆變器的功率增加到150 kW以上，選擇具有最大電流強度的隔離式柵極驅動器通過米勒平臺可以減少SiC MOSFET功率損耗，實現更快的開關頻率，從而提高效率，從而改善新的電動汽車型號的驅動范圍。符合 TI 功能安全標準的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 柵極驅動器附帶一系列設計支持工具，可幫助實現。

審核編輯 黃昊宇