閘極驅動器及偏壓電源供應如何支援延長 EV 行駛距離

MCU 和電流感測迴路產生的控制訊號會被饋送到功率級，而功率級是電池和馬達之間的連結。功率級是由連接三相功率電晶體的大型電容器組去耦的高壓 DC 匯流排所組成，例如 IGBT 或 SiC MOSFET。功率級在將直流電壓轉換為交流電壓時，應具有最小的功率損耗，而且尺寸要小，如此才能有效地使用電池，進而延長車輛的行駛距離。然而這會是一個難題，因為需要有較大型的零組件，才能提升電壓和功率。幸好這方面的技術有所突破，能讓零組件在擁有更高功率位準的同時，保有相同尺寸。

有兩大因素會影響牽引逆變器的尺寸，就是高壓電晶體的類型和電池的電壓位準。與具有相同額定電壓的 IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更低的切換損耗和更小的晶粒尺寸，所以一些工程師會在牽引逆變器設計中使用 SiC MOSFET。當 SiC 電晶體獲得適當控制時，會在轉換器運作的所有條件下 (例如溫度、速度和扭力) 以更少的損耗和更高的可靠性運作，加長行駛里程。

雖然 SiC MOSFET 效率更高，但與任何電晶體一樣，會在切換時出現一些功率損耗，而這些切換損耗便會影響到牽引逆變器的效率。切換瞬變期間的電壓和電流邊緣會重疊，並產生功率損耗，如 圖 3 所示。高閘極驅動器輸出電流導致 SiC FET 閘極的快速充電和放電，進而實現低功率損耗。然而，鑒於切換行為會隨溫度、電流和電壓而變化，所以以最快的速度切換並不一定最好。跨 SiC FET 的電壓快速轉換，也就是汲極至源極電壓 (VDS) 的瞬態電壓 (dv/dt)，會以傳導接地電流的形式產生電壓過衝和電磁干擾 (EMI)。鑒於線圈之間的電容短路的可能性，馬達本身可能會受到高 dv/dt 的影響。閘極驅動器電路可以控制功率損耗和切換瞬態。

使用閘極電阻控制閘極驅動器的輸出源極和汲極電流，有助於最佳化 dv/dt 和功率損耗之間的取捨。圖 4 顯示具有可調整輸出驅動強度的閘極驅動器的實作，可改善跨溫度和電流的 SiC MOSFET 轉換速率變化。

可調性對牽引逆變器的性能有利，因為可以降低 EMI 和損耗，進而提高效率，有助於加長行駛里程。由於 TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 閘極驅動器具有 30-A 驅動強度，因此在以改變和最佳化閘極電阻為基礎時，可輕鬆實作可調式閘極驅動解決方案。此外，其電流隔離和 100-kV/µs CMTI 讓使用快速切換 SiC 技術的高壓應用輕鬆簡易。

電池的電壓位準也會影響系統中存在的 dv/dt 量，當設計人員需要將 EMI 降到最低，並選擇能夠符合隔離安全標準，同時保持相同功率密度和面積的零組件時，便會出現一些難題。SiC MOSFET 在小晶粒尺寸中支援 >1,200 V 的高崩潰電壓，進而為 800-V EV 電池應用提供功率密度高的解決方案。

當電源供應器需要隔離和良好的穩壓時，支援高壓 SiC MOSFET 的閘極電壓需求會有所挑戰。從 SiC MOSFET 的電流電壓特性曲線可以看出閘極電壓的影響，如 圖 5 所示，其中較高的閘極至源極電壓 (V_GS) 導致其線性區域的曲線更陡峭。更陡峭的曲線表示更低的汲極至源極導通電阻 (R_DS(on))，可將傳導損耗降到最低，並避免熱失控。

為閘極驅動器提供功率和電壓的隔離式偏置電源，應在快速瞬態過程中維持適當的正閘極電壓以支援負電壓，使 SiC FET 維持在安全關閉狀態。附帶半導體切換控制器的變壓器通常用於產生隔離電源供應。而其在電氣效率和 EMI 層面的複雜設計，會直接影響功率級的性能。繞組間電容會導致更高的共模電流，進而需要更低電容的 EMI 產生，但在尺寸、額定電壓和效率之間的權衡，則需要更多時間來設計。

有了 UCC14241-Q1 和 UCC1420-Q1 等整合式功率模組，初級到次級隔離電容可以在 <3.5 pF 受到良好控制，進而為快速切換 SiC MOSFET 實現 >150 V/ns 的 CMTI。HEV/EV 子系統設計趨向於進一步整合，例如將牽引逆變器與 DC/DC 轉換器相結合。與具有返馳式轉換器的典型偏壓電源解決方案相比，UCC14241-Q1 的物料清單 (BOM) 面積可縮小約 40%，如 圖 6 所示。與分離式變壓器設計相比，高度顯著降低，因而降低了重心，卻提高了震動可耐受度。這些因素都有助於提升牽引逆變器系統的可靠性和使用壽命，同時能提供正確的電壓，以有效率地驅動功率電晶體。