作者：Steven Keeping
关键词： 汽车, 电源管理, 电路设计
工程师面临着对现代电动汽车 (EV) 性能和里程的权衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更频繁、更耗时的充电站。另外，更长里程要求造成了各项进展的不确定性。为了增加续航能力，同时为驾驶者提供更高的性能，工程师需要设计驱动系统，确保尽可能多的电池能量转移到驱动轮上。同样重要的是，需要保持驱动系统足够小，以适应车辆的限制。这些双重需求需要高效率和高能量密度的组件。
电动汽车驱动系统的关键部件是三相电压源逆变器（或称“牵引逆变器”） ，它将电池的直流电压转换为车辆电机所需的交流电。打造一个高效的牵引逆变器对于平衡性能和里程至关重要，而提高效率的关键途径之一就是适当使用宽带隙 (WBG) 、碳化硅 (SiC) 半导体器件。
本文将先介绍电动汽车牵引逆变器的作用；然后解释用SiC功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 设计该装置时，如何才能打造出比使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 更高效的电动车驱动系统；文章最后介绍了一个基于SiC MOSFET的牵引逆变器实例，并说明了最大限度地提高该装置效率的设计技巧。
什么是牵引逆变器？
电动汽车牵引逆变器将车辆的高压 (HV) 电池提供的直流电转换为电机所需的交流电，以产生移动车辆所需的扭矩。牵引逆变器的电气性能对车辆的加速和行驶里程有很大影响。
现代牵引逆变器的高压电池驱动系统电压为400伏，或者到最近的800伏。在牵引逆变器电流为300安培 (A) 或更大的情况下，由800伏电池系统供电的设备能够提供超过200千瓦 (KW) 的功率。随着功率的攀升，逆变器的尺寸也在缩小，大大增加了功率密度。
拥有400伏电池系统的电动车需要牵引逆变器采用额定电压为600至750伏的功率半导体器件，而800伏的车辆则需要额定电压为900至1200伏的半导体器件。牵引逆变器中使用的功率元件也必须能够处理30秒 (s) 超过500A的峰值交流电流和1毫秒 (ms) 内1600A的最大交流电流。此外，用于该设备的开关晶体管和栅极驱动器也必须能够处理这些大的负载，同时保持高的牵引逆变器效率（表1）。
表1：2021年典型牵引逆变器要求；与2009年相比，如表所示能量密度要求增加了250%。（图片来源：Steven Keeping）
牵引逆变器通常包括三个半桥元件（高压侧加低压侧开关），每个电机相位都有一个，栅极驱动器控制着每个晶体管的低压侧开关。整个组件必须与为车辆其他系统供电的低压 (LV) 电路进行电隔离（图1）。
图1：电动车需要一个三相电压源逆变器（牵引逆变器）以将高压 (HV) 直流电池电源转换为车辆电机所需的交流电源。高压系统，包括牵引逆变器，与车辆的传统12伏系统隔离。（图片来源：onsemi）
图1所示例子中的开关是IGBT。这类逆变器一直是牵引逆变器的热门选择，因为它们能够处理高电压，开关迅速，提供良好的效率，而且价格相对便宜。然而，随着SiC功率MOSFET成本的下降和它们在商业上的普及，工程师们正在转向这些元件，因为它们比IGBT具有明显的优势。
用于高效栅极驱动器的SiC MOSFET的优势
与传统硅 (Si) MOSFET和IGBT相比，SiC功率MOSFET的关键性能优势来自于器件的WBG半导体衬底。硅MOSFET的带隙能量为1.12电子伏特 (eV) ，而SiC MOSFET为3.26eV。这意味着WBG晶体管可以承受比硅器件高得多的击穿电压，以及由此产生的击穿场电压比硅器件高十倍左右。高击穿场电压允许在既定电压下减少器件的厚度，降低“导通”电阻 (RDS(ON))，从而减少开关损耗并提高载流能力。
SiC的另一个关键优势是它的导热性，大约比Si高三倍。较高的导热性能使得在一定的功率耗散下结温 (Tj) 上升较小。SiC MOSFET还可以容忍比Si更高的最大结温 (Tj(max) ) 。硅MOSFET的典型Tj(max)值为150˚C；SiC器件可以承受高达600˚C的Tj(max)，尽管商业器件的额定温度通常为175至200˚C。表2提供了Si和4H-SiC（通常用于制造MOSFET的SiC结晶形式）之间的性能比较。
表2：SiC MOSFET的击穿电场、热导率和最大结温使之成为大电流和高电压开关应用中比Si更好的选择。（图片来源：onsemi）
高击穿电压、低 RDS(ON)、高导热性和高Tj(max)使得SiC MOSFET能够处理比类似尺寸的Si MOSFET高得多的电流和电压。
IGBT也能够处理高电压和高电流，并且往往比SiC MOSFET更便宜——这是它们在牵引逆变器设计中得到青睐的一个关键原因。IGBT也有缺点，特别是当开发者希望最大限度地提高能量密度时，由于其“尾电流”和相对较慢的关断速度，对最大工作频率有限制。相比之下，SiC MOSFET能够处理与Si MOSFET相同的高频开关，但具有IGBT的电压和电流处理能力。
SiC MOSFET应用越来越广泛
直到最近，由于SiC MOSFET的价格相对较高，它们的使用仅限于豪华电动车的牵引逆变器，但价格的下降使SiC MOSFET成为更多应用的选择。
Onsemi的NTBG020N090SC1和NTBG020N120SC1是这种新一代SiC功率MOSFETS的两个实例。这两种器件的主要区别是：前者的最大漏源极击穿电压 (V (BR)DSS) 为900伏，栅源电压 (VGS) 为0伏，连续漏极电流 (ID) 为1毫安 (mA)；而后者的最大V (BR)DSS为1200伏（在相同条件下）。这两个器件的最大Tj是175˚C。这两个器件都是单N沟道MOSFET，采用D2PAK-7L封装（图2）。
图2：NTBG020N090SC1和NTBG020N120SC1 N沟道SiC功率MOSFET都采用D2PAK-7L封装，主要区别在于其V(BR)DSS值分别为900和1200 伏。（图片来源：Steven Keeping，使用了onsemi的材料）
NTBG020N090SC1的RDS(ON)为20毫欧 (mΩ)，VGS为15伏（ID = 60 A, Tj = 25˚C），RDS(ON)为16mΩ，VGS为18伏 (ID = 60A, Tj = 25˚C)。最大连续漏源二极管正向电流 (ISD) 为148A（VGS= -5V，Tj = 25˚C），最大脉冲漏源二极管正向电流 (ISDM) 为448A（VGS = -5V，Tj = 25˚C）。
NTBG020N120SC1则在VGS为20伏时具有28mΩ的RDS(ON) (ID = 60A, Tj = 25˚C)。最大ISD为46A（VGS = −5V，Tj = 25˚C），最大ISDM是392A（VGS = −5V，Tj = 25˚C）.
使用SiC MOSFET进行设计
尽管SiC MOSFET具有优势，但希望将SiC MOSFET纳入其牵引逆变器设计的设计人员应该注意一个重要的复杂问题，即这种晶体管有棘手的栅极驱动要求。其中一些挑战来自于这样一个事实：与Si MOSFET相比，SiC MOSFET表现出较低的跨导、较高的内部栅极电阻，并且栅极开启阈值可能低于2伏。因此，在关断状态下，栅极必须被拉到地电位以下（通常为-5V），以确保正确的开关。
然而，关键的栅极驱动挑战来自于必须应用大的VGS（高达20V）以确保低RDS(ON)。在太低的VGS下操作SiC MOSFET可能会导致热应力，甚至由于功率耗散而失效（图3）。
此外，由于SiC MOSFET是一个低增益器件，设计者在设计栅极驱动电路时必须考虑到这对其他几个重要动态特性的影响。这些特性包括栅极电荷米勒平台和对过流保护的要求。
这些复杂的设计要求专用栅极驱动器具有以下属性：
- 能够提供-5至20伏的VGS驱动，以充分利用SiC MOSFET的性能优势。为了提供足够的开销以满足这一要求，栅极驱动电路应能承受VDD = 25V和VEE = -10V。
- VGS必须有快速的上升和下降边缘，大约为几纳秒 (ns) 。
- 栅极驱动必须能够在整个MOSFET米勒平台区域内提供数安培的高峰值栅极电流。
- 灌电流的额定值应超过仅对SiC MOSFET的输入电容放电所需的电流。对于高性能的半桥电源拓扑结构，应考虑10A级的最小峰值灌电流额定值。
- 实现高速开关的低寄生电感。
- 小型驱动器封装能够尽可能地靠近SiC MOSFET，以提高能量密度。
- 去饱和 (DESAT) 功能能够进行检测、故障报告和保护，以实现长期可靠的运行。
- 一个VDD欠压锁定 (UVLO) 电平与开关开始前VGS > 16V的要求相匹配。
- 提供VEE UVLO监测能力，以确保负电压轨在可接受的范围内。
Onsemi已推出一款栅极驱动器，旨在满足牵引逆变器设计的上述要求。NCP51705MNTXG SiC MOSFET栅极驱动器具有高集成度，因此不仅与其SiC MOSFET兼容，而且与众多制造商的产品兼容。该器件包括许多通用栅极驱动器所共有的基本功能，但也具有使用最小外部元件设计可靠的SiC MOSFET栅极驱动电路所必需的专门要求。
例如，NCP51705MNTXG集成了一个DESAT功能，只需使用两个外部元件就可以实现。DESAT是IGBT和MOSFET的一种过流保护形式，用于监测故障，据此VDS就可以上升到最大ID。这可能会影响效率，在最坏的情况下，可能会损坏MOSFET。图4显示了NCP51750MNTXG如何通过R1和D1的DESAT引脚来监测MOSFET (Q1) 的VDS。
图4：NCP51705MNTXG的DESAT功能能够测量VDS在最大ID期间的异常行为，并实现过流保护。（图片来源：onsemi）
NCP51705MNTXG栅极驱动器还具有可编程的欠压锁定功能。在驱动SiC MOSFET时，这是一个重要的功能，因为开关元件的输出应该被禁用，直到VDD高于一个已知的阈值。允许驱动器在低VDD下开关MOSFET会损坏器件。NCP51705MNTXG的可编程UVLO不仅可以保护负载，而且可以向控制器验证所施加的VDD是否高于开启阈值。UVLO的开启阈值是通过UVSET和SGND之间的一个电阻设置的（图5）。
图5：NCP51705MNTXG SiC MOSFET的UVLO开启阈值通过UVSET电阻RUVSET设置，具体阻值根据所需的UVLO开启电压VON选择。（图片来源：onsemi）
牵引逆变器的数字隔离
为了完成牵引逆变器的设计，工程师必须确保车辆的低压侧电子设备与通过逆变器的高电压和电流隔离（上图2）。然而，由于控制高压栅极驱动器的微处理器在低压侧，任何隔离都必须允许数字信号从微处理器传递到栅极驱动器。Onsemi也提供了一种实现这种功能的元件，即NCID9211R2，一种高速、双通道、双向陶瓷数字隔离器。
NCID9211R2是一个电隔离的全双工数字隔离器，允许数字信号在系统之间传递而不产生接地回路或危险电压。该设备具有2000伏峰值最大工作绝缘能力，100千伏/毫秒 (kV/ms) 的共模抑制，以及每秒50兆比特 (Mbit/s) 的数据吞吐量。
图6所示为片外陶瓷电容器构成的隔离栅。
图6：NCID9211R2数字隔离器单通道结构的框图。片外电容器构成了隔离栅。（图片来源：onsemi）
数字信号使用ON-OFF开关键控 (OOK) 调制方式穿过隔离栅进行传输。在发射器一侧，VIN输入逻辑状态被高频载波信号调制。由此产生的信号被放大并传输到隔离栅。接收端检测隔离栅信号，并使用包络检测技术对其进行解调（图7）。当输出允许控制EN为高电平时，输出信号决定了VO的输出逻辑状态。当发射器电源关闭，或VIN输入断开时，VO默认为高阻抗低电平状态。
图7：NCID9211数字隔离器使用OOK调制跨越隔离栅来传输数字信息。（图片来源：onsemi）
结语
SiC功率MOSFET是高效率和高功率密度电动汽车牵引逆变器的好选择，但其电气特征在栅极驱动器和器件保护方面也带来独特的设计挑战。除了设计上的挑战，工程师们还必须确保他们的牵引逆变器设计能够与车辆敏感的低压电子装置进行高级别隔离。
如上所述，为方便工程开发，onsemi推出了一系列SiC MOSFET、专用栅极驱动器和数字隔离器，以满足牵引逆变器的要求，并在现代电动汽车的长量程和高性能要求之间取得了更好的平衡。
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