如何通过实时可变栅极驱动强度更大限度地提高 SiC 牵引逆变器的效率

在电动汽车(EV)的发展进程中，牵引逆变器作为消耗电池电量的关键零部件，其效率和性能对车辆单次充电后的行驶里程起着决定性作用。当功率级别可达 150kW 甚至更高时，提升牵引逆变器的效率成为了行业内亟待解决的重要问题。为此，业界广泛采用碳化硅(SiC)场效应晶体管(FET)来构建下一代牵引逆变器系统，旨在实现更高的可靠性、效率和功率密度。而实时可变栅极驱动强度这一新技术的出现，为进一步提高 SiC 牵引逆变器的效率提供了有效途径。

实时可变栅极驱动强度的工作原理

隔离式栅极驱动器集成电路(IC)在牵引逆变器系统中扮演着关键角色，它不仅提供从低电压到高电压(输入到输出)的电隔离，驱动逆变器每相的高边和低边功率模块，还能监测和保护逆变器免受各种故障的影响。并且，根据汽车安全完整性等级(ASIL)功能安全要求，栅极驱动器 IC 必须符合 ISO 26262 标准，以确保对单一故障和潜在故障具备高故障检测率。

栅极驱动器 IC 的一项重要任务是尽可能高效地导通 SiC FET，同时将开关损耗降至最低。控制和改变栅极驱动电流强度具备降低开关损耗的能力，不过，这也会在开关期间导致开关节点处的瞬态过冲增加。通过改变栅极驱动电流，可以对 SiC 的开关速度进行有效控制。实时可变的栅极驱动电流功能，能够实现对瞬态过冲的管理，并对整个高电压电池能量周期进行设计优化。在电池充满电且荷电状态处于 100% 至 80% 时，使用较低的栅极驱动强度，可将 SiC 电压过冲维持在限制范围内。随着电池电量从 80% 下降至 20%，采用较高的栅极驱动强度则能降低开关损耗，提高牵引逆变器效率。在充电周期的 75% 时间内，这种方式对系统效率的提升效果显著。

相关器件及应用优势

以 UCC5880-Q1 这款适用于汽车应用中牵引逆变器的 SiC 栅极驱动器为例，其最大驱动电流可达 20A，并具备多种保护功能。它的栅极驱动强度范围在 5A 至 20A 之间，可通过一个 4MHz 双向串行外设接口 SPI 总线或三个数字输入引脚进行灵活调整。这种可变强度的设计，在控制过冲、提高效率和优化热性能方面展现出了独特优势。

在评估牵引逆变器功率级开关性能时，双脉冲测试(DPT)是一种标准方法。通过 DPT，可以在不同电流下闭合和断开 SiC 功率开关，通过改变开关时间，能够对工作条件下的 SiC 开启和关断波形进行控制和测量，这对于评估效率和 SiC 过冲具有重要意义，因为 SiC 过冲会对可靠性产生影响。从相关测试结果来看，具有可变强度的 SiC 栅极驱动器在控制过冲的同时，能更大限度地提高效率。在特定测试条件下，通过调整栅极驱动强度，可有效降低开启和关断开关能量损耗，同时合理控制最大电压过冲以及 VDS 在开启和关断期间的开关速度。

实际应用中的效率提升效果

使用 UCC5880-Q1 强大的栅极驱动控制功能来降低 SiC 开关损耗时，效率提升效果显著，且这一效果与牵引逆变器的功率级别相关。通过使用全球统一轻型汽车测试程序(WLPT)以及实际驾驶计程速度和加速度进行建模显示，SiC 功率级效率提升最高可达 2%，这一提升幅度相当于每块电池能够增加 11 公里的行驶里程。这看似微小的里程增加，在实际使用场景中却可能产生重大影响，例如能够帮助驾驶者避免因电量不足而被困在路上的情况。

UCC5880-Q1 还集成了 SiC 阈值监测功能。在系统生命周期内，每次电动汽车按键启动时，该功能都会执行阈值电压测量，并向微控制器提供电源开关数据，以便预测电源开关故障，这进一步提升了系统的可靠性和安全性。

随着电动汽车牵引逆变器的功率级别不断提升，接近 300kW 甚至更高，对更高可靠性和更高效率的需求变得愈发迫切。实时可变栅极驱动强度技术为满足这一需求提供了有力支持，通过优化系统参数，在提高效率的同时保障系统的可靠性，为电动汽车的发展注入新的动力，推动行业向更高性能、更可持续的方向迈进。