工程師面臨著對現(xiàn)代電動汽車 (EV) 性能和里程的權(quán)衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更頻繁、更耗時的充電站。另外，更長里程要求造成了各項進展的不確定性。為了增加續(xù)航能力，同時為駕駛者提供更高的性能，工程師需要設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)，確保盡可能多的電池能量轉(zhuǎn)移到驅(qū)動輪上。同樣重要的是，需要保持驅(qū)動系統(tǒng)足夠小，以適應(yīng)車輛的限制。這些雙重需求需要高效率和高能量密度的組件。
電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是三相電壓源逆變器（或稱“牽引逆變器”） ，它將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為車輛電機所需的交流電。打造一個高效的牽引逆變器對于平衡性能和里程至關(guān)重要，而提高效率的關(guān)鍵途徑之一就是適當使用寬帶隙 (WBG) 、碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體器件。
本文先介紹電動汽車牽引逆變器的作用。然后解釋用 SiC 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 設(shè)計該裝置時，如何才能打造出比使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 更高效的電動車驅(qū)動系統(tǒng)。文章最后介紹了一個基于 SiC MOSFET 的牽引逆變器實例，并說明了最大限度地提高該裝置效率的設(shè)計技巧。
什么是牽引逆變器？
電動汽車牽引逆變器將車輛的高壓 (HV) 電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為電機所需的交流電，以產(chǎn)生移動車輛所需的扭矩。牽引逆變器的電氣性能對車輛的加速和行駛里程有很大影響。
現(xiàn)代牽引逆變器的高壓電池驅(qū)動系統(tǒng)電壓為 400 伏，或者到最近的 800 伏。在牽引逆變器電流為 300 安培 (A) 或更大的情況下，由 800 伏電池系統(tǒng)供電的設(shè)備能夠提供超過 200 千瓦 (KW) 的功率。隨著功率的攀升，逆變器的尺寸也在縮小，大大增加了功率密度。
擁有 400 伏電池系統(tǒng)的電動車需要牽引逆變器采用額定電壓為 600 至 750 伏的功率半導(dǎo)體器件，而 800 伏的車輛則需要額定電壓為 900 至 1200 伏的半導(dǎo)體器件。牽引逆變器中使用的功率元件也必須能夠處理 30 秒 (s) 超過 500A 的峰值交流電流和 1 毫秒 (ms) 內(nèi)的最大交流電流 1600A。此外，用于該設(shè)備的開關(guān)晶體管和柵極驅(qū)動器也必須能夠處理這些大的負載，同時保持高的牽引逆變器效率（表 1）。
表 1：2021 年典型牽引逆變器要求；與 2009 年相比，如表所示能量密度要求增加了 250%。（圖片來源：Steven Keeping）
牽引逆變器通常包括三個半橋元件（高壓側(cè)加低壓側(cè)開關(guān)），每個電機相位都有一個，柵極驅(qū)動器控制著每個晶體管的低壓側(cè)開關(guān)。整個組件必須與為車輛其他系統(tǒng)供電的低壓 (LV) 電路進行電隔離（圖 1）。
圖 1：電動車需要一個三相電壓源逆變器（牽引逆變器）以將高壓 (HV) 直流電池電源轉(zhuǎn)換為車輛電機所需的交流電源。高壓系統(tǒng)，包括牽引逆變器，與車輛的傳統(tǒng) 12 伏系統(tǒng)隔離。（圖片來源：ON Semiconductor）
圖 1 所示例子中的開關(guān)是 IGBT。這類逆變器一直是牽引逆變器的熱門選擇，因為它們能夠處理高電壓，開關(guān)迅速，提供良好的效率，而且價格相對便宜。然而，隨著 SiC 功率 MOSFET 成本的下降和它們在商業(yè)上的普及，工程師們正在轉(zhuǎn)向這些元件，因為它們比 IGBT 具有明顯的優(yōu)勢。
用于高效柵極驅(qū)動器的 SiC MOSFET 的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 功率 MOSFET 的關(guān)鍵性能優(yōu)勢來自于器件的 WBG 半導(dǎo)體襯底。硅 MOSFET 的帶隙能量為 1.12 電子伏特 (eV) ，而 SiC MOSFET 為 3.26 eV。這意味著 WBG 晶體管可以承受比硅器件高得多的擊穿電壓，以及由此產(chǎn)生的擊穿場電壓比硅器件高十倍左右。高擊穿場電壓允許在既定電壓下減少器件的厚度，降低“導(dǎo)通”電阻 (RDS(ON))，從而減少開關(guān)損耗并提高載流能力。
SiC 的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它的導(dǎo)熱性，大約比 Si 高三倍。較高的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致在一定的功率耗散下結(jié)溫 (Tj) 上升較小。SiC MOSFET 還可以容忍比 Si 更高的最大結(jié)溫 (Tj(max) ) 。硅 MOSFET 的典型 Tj(max) 值為 150?C；SiC 器件可以承受高達 600?C 的 Tj(max)，盡管商業(yè)器件的額定溫度通常為 175 至 200?C。表 2 提供了 Si 和 4H-SiC（通常用于制造 MOSFET 的 SiC 結(jié)晶形式）之間的性能比較。
表 2：SiC MOSFET 的擊穿電場、熱導(dǎo)率和最大結(jié)溫使之成為大電流和高電壓開關(guān)應(yīng)用中比 Si 更好的選擇。（圖片來源：ON Semiconductor）
高擊穿電壓、低 RDS(ON)、高導(dǎo)熱性和高 Tj(max) 使得 SiC MOSFET 能夠處理比類似尺寸的 Si MOSFET 高得多的電流和電壓。
IGBT 也能夠處理高電壓和高電流，并且往往比 SiC MOSFET 更便宜——這是它們在牽引逆變器設(shè)計中得到青睞的一個關(guān)鍵原因。IGBT 也有缺點，特別是當開發(fā)者希望最大限度地提高能量密度時，由于其“尾電流”和相對較慢的關(guān)斷速度，對最大工作頻率有限制。相比之下，SiC MOSFET 能夠處理與 Si MOSFET 相同的高頻開關(guān)，但具有 IGBT 的電壓和電流處理能力。
SiC MOSFET 供應(yīng)越來越廣泛
直到最近，由于 SiC MOSFET 的價格相對較高，它們的使用僅限于豪華電動車的牽引逆變器，但價格的下降使 SiC MOSFET 成為更多種類的選擇。
On Semiconductor：NTBG020N090SC1 和 NTBG020N120SC1 是這種新一代 SiC 功率 MOSFETS 的兩個實例。這兩種器件的主要區(qū)別是，前者的最大漏源極擊穿電壓 (V (BR)DSS) 為 900 伏，柵源電壓 (VGS) 為 0 伏，連續(xù)漏極電流 (ID) 為 1 毫安 (mA)，而后者的最大 V (BR)DSS 為 1200 伏（在相同條件下）。這兩個器件的最大 Tj 是 175?C。這兩個器件都是單 N 溝道 MOSFET，采用 D2PAK-7L 封裝（圖 2）。
圖 2：NTBG020N090SC1 和 NTBG020N120SC1 N 溝道 SiC 功率 MOSFET 都采用 D2PAK-7L 封裝，主要區(qū)別在于其 V(BR)DSS 值分別為 900 和 1200 伏。（圖片來源：Steven Keeping，使用了 On Semiconductor 的材料）
NTBG020N090SC1 的 RDS(ON) 為 20 毫歐 (mΩ)，VGS 為 15 伏（ (ID = 60 A, Tj = 25?C)，RDS(ON) 為 16mΩ，VGS 為 18 伏 (ID = 60 A, Tj = 25?C)。最大連續(xù)漏源二極管正向電流 (ISD) 為 148A（VGS= -5 伏，Tj = 25?C），最大脈沖漏源二極管正向電流 (ISDM) 為 448A（VGS = -5 伏，Tj = 25?C）。NTBG020N120SC1 則在 VGS 為 20 伏時具有 28 mΩ 的 RDS(ON) (ID = 60 A, Tj = 25?C)。最大 ISD 為 46 A（VGS = ?5 伏，Tj = 25?C），最大 ISDM 是 392 A（VGS = ?5 伏，Tj = 25?C）.
使用 SiC MOSFET 進行設(shè)計
盡管 SiC MOSFET 具有優(yōu)勢，但希望將 SiC MOSFET 納入其牽引逆變器設(shè)計的設(shè)計人員應(yīng)該注意一個重要的復(fù)雜問題，即這種晶體管有棘手的柵極驅(qū)動要求。其中一些挑戰(zhàn)來自于這樣一個事實：與 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 表現(xiàn)出較低的跨導(dǎo)、較高的內(nèi)部柵極電阻，并且柵極開啟閾值可能低于 2 伏。因此，在關(guān)斷狀態(tài)下，柵極必須被拉到地電位以下（通常為 -5 伏），以確保正確的開關(guān)。
然而，關(guān)鍵的柵極驅(qū)動挑戰(zhàn)來自于必須應(yīng)用大的 VGS（高達 20 伏）以確保低 RDS(ON)。在太低的 VGS 下操作 SiC MOSFET 可能會導(dǎo)致熱應(yīng)力，甚至由于功率耗散而失效（圖 3）。
圖 3：對于 NTBG020N090SC1 SiC MOSFET，需要高 VGS 以避免高 RDS(ON) 帶來熱應(yīng)力。（圖片來源：ON Semiconductor）
此外，由于 SiC MOSFET 是一個低增益器件，設(shè)計者在設(shè)計柵極驅(qū)動電路時必須考慮到這對其他幾個重要動態(tài)特性的影響。這些特性包括柵極電荷米勒平臺和對過流保護的要求。
這些復(fù)雜的設(shè)計要求專用柵極驅(qū)動器具有以下屬性：
能夠提供 -5 至 20 伏的 VGS 驅(qū)動，以充分利用 SiC MOSFET 的性能優(yōu)勢。為了提供足夠的開銷以滿足這一要求，柵極驅(qū)動電路應(yīng)能承受 VDD = 25 伏和 VEE = -10 伏。
VGS 必須有快速的上升和下降邊緣，大約為幾納秒 (ns) 。
柵極驅(qū)動必須能夠在整個 MOSFET 米勒平臺區(qū)域內(nèi)提供數(shù)安培的高峰值柵極電流。
灌電流的額定值應(yīng)超過僅對 SiC MOSFET 的輸入電容放電所需的電流。對于高性能的半橋電源拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮 10 A 級的最小峰值灌電流額定值。
實現(xiàn)高速開關(guān)的低寄生電感。
小型驅(qū)動器封裝能夠盡可能地靠近 SiC MOSFET，以提高能量密度。
去飽和 (DESAT) 功能能夠進行檢測、故障報告和保護，以實現(xiàn)長期可靠的運行。
一個 VDD 欠壓鎖定 (UVLO) 電平與開關(guān)開始前 VGS > 16 伏的要求相匹配。
提供 VEE UVLO 監(jiān)測能力，以確保負電壓軌在可接受的范圍內(nèi)。
On Semiconductor 已推出一款柵極驅(qū)動器，旨在滿足牽引逆變器設(shè)計的上述要求。NCP51705MNTXG SiC MOSFET 柵極驅(qū)動器具有高集成度，因此不僅與其 SiC MOSFET 兼容，而且與眾多制造商的產(chǎn)品兼容。該器件包括許多通用柵極驅(qū)動器所共有的基本功能，但也具有使用最小外部元件設(shè)計可靠的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動電路所必需的專門要求。
例如，NCP51705MNTXG 集成了一個 DESAT 功能，只需使用兩個外部元件就可以實現(xiàn)。DESAT 是 IGBT 和 MOSFET 的一種過流保護形式，用于監(jiān)測故障，據(jù)此 VDS 就可以上升到最大 ID。這可能會影響效率，在最壞的情況下，可能會損壞 MOSFET。圖 4 顯示了 NCP51750MNTXG 如何通過 R1 和 D1 的 DESAT 引腳來監(jiān)測 MOSFET (Q1) 的 VDS。
圖 4：NCP51705MNTXG 的 DESAT 功能能夠測量 VDS 在最大 ID 期間的異常行為，并實現(xiàn)過流保護。（圖片來源：ON Semiconductor）
NCP51705MNTXG 柵極驅(qū)動器還具有可編程的欠壓鎖定功能。在驅(qū)動 SiC MOSFET 時，這是一個重要的功能，因為開關(guān)元件的輸出應(yīng)該被禁用，直到 VDD 高于一個已知的閾值。允許驅(qū)動器在低 VDD 下開關(guān) MOSFET 會損壞器件。NCP51705MNTXG 的可編程 UVLO 不僅可以保護負載，而且可以向控制器驗證所施加的 VDD 是否高于開啟閾值。UVLO 的開啟閾值是通過 UVSET 和 SGND 之間的一個電阻設(shè)置的（圖 5）。
圖 5：NCP51705MNTXG SiC MOSFET 的 UVLO 開啟閾值通過 UVSET 電阻 RUVSET 設(shè)置，具體阻值根據(jù)所需的 UVLO 開啟電壓 VON 選擇。（圖片來源：ON Semiconductor）
牽引逆變器的數(shù)字隔離
為了完成牽引逆變器的設(shè)計，工程師必須確保車輛的低壓側(cè)電子設(shè)備與通過逆變器的高電壓和電流隔離（上圖 2）。然而，由于控制高壓柵極驅(qū)動器的微處理器在低壓側(cè)，任何隔離都必須允許數(shù)字信號從微處理器傳遞到柵極驅(qū)動器。On Semiconductor 也提供了一種實現(xiàn)這種功能的元件，即 NCID9211R2，一種高速、雙通道、雙向陶瓷數(shù)字隔離器。
NCID9211R2 是一個電隔離的全雙工數(shù)字隔離器，允許數(shù)字信號在系統(tǒng)之間傳遞而不產(chǎn)生接地回路或危險電壓。該設(shè)備具有 2000 伏峰值最大工作絕緣能力，100 千伏/毫秒 (kV/ms) 的共模抑制，以及每秒 50 兆比特 (Mbit/s) 的數(shù)據(jù)吞吐量。
圖 6 所示為片外陶瓷電容器構(gòu)成的隔離柵。
圖 6：展示 NCID9211R2 數(shù)字隔離器單通道結(jié)構(gòu)的框圖。片外電容器構(gòu)成了隔離柵。（圖片來源：ON Semiconductor）
數(shù)字信號使用 ON-OFF 開關(guān)鍵控 (OOK) 調(diào)制方式穿過隔離柵進行傳輸。在發(fā)射器一側(cè)，VIN 輸入邏輯狀態(tài)被高頻載波信號調(diào)制。由此產(chǎn)生的信號被放大并傳輸?shù)礁綦x柵。接收端檢測隔離柵信號，并使用包絡(luò)檢測技術(shù)對其進行解調(diào)（圖 7）。當輸出允許控制 EN 為高電平時，輸出信號決定了 VO 的輸出邏輯狀態(tài)。當發(fā)射器電源關(guān)閉，或 VIN 輸入斷開時，VO 默認為高阻抗低電平狀態(tài)。
圖 7：NCID9211 數(shù)字隔離器使用 OOK 調(diào)制跨越隔離柵來傳輸數(shù)字信息。（圖片來源：ON Semiconductor）
結(jié)語
SiC 功率 MOSFET 是高效率和高功率密度電動汽車牽引逆變器的好選擇，但其電氣特征在柵極驅(qū)動器和器件保護方面也帶來獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。除了設(shè)計上的挑戰(zhàn)，工程師們還必須確保他們的牽引逆變器設(shè)計能夠與車輛敏感的低壓電子裝置進行高級別隔離。
如上所述，為方便工程開發(fā)，On Semiconductor 推出了一系列 SiC MOSFET、專用柵極驅(qū)動器和數(shù)字隔離器，以滿足牽引逆變器的要求，并在現(xiàn)代電動汽車的長量程和高性能要求之間取得了更好的平衡。
