隨著電動車 (EV) 製造商之間為了開發成本更低、續航里程更長的車型所進行的競爭日益激烈，電力系統工程師必須設法藉由降低功率損耗和提高牽引逆變器系統效率，來提升續航里程並增加競爭優勢。效率與較低的功率損耗有關，而這會影響熱性能、系統重量、尺寸和成本。降低功率損耗的需求將隨著開發功率更高的逆變器而持續存在，尤其是在這每輛汽車的馬達數量增加以及卡車轉向純電動車發展的現況下。 牽引逆變器長久以來使用絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)。不過，隨著半導體技術進步，碳化矽 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 不僅能夠提供比 IGBT 更高頻率的開關能力，還能透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，尤其對於功率 >100 kW 和 800 V的匯流排，需要具備可靠絕緣技術、高驅動強度以及故障監控和防護功能的絕緣式閘極驅動器。 牽引逆變器系統中的絕緣式閘極驅動器 圖 1 所示的絕緣式閘極驅動器積體電路 (IC) 是牽引逆變器供電解決方案不可或缺的一部份。閘極驅動器提供低至高電壓 (輸入至輸出) 電流絕緣，驅動 SiC 或 IGBT 型三相馬達半橋的高側和低側功率級，而且能夠監控和防範各種故障條件。
SiC MOSFET 米勒平台和高強度閘極驅動器的效益 尤其是對於 SiC MOSFET，閘極驅動器 IC 必須盡可能減少開關和包括開啟和關閉能量的傳導損耗。MOSFET 產品規格表包含閘極電荷特性，在這條曲線上，您會發現稱為米勒平台的平坦水平部份，如圖 2 所示。MOSFET 在開啟和關閉狀態之間花費的時間愈長，損耗的功率就愈多。
SiC MOSFET 開關時，超過柵源閾值 (VGSTH)的柵源電壓 (VGS) 因為電荷和電容均為固定的緣故，被箝位在米勒平台電壓 (Vplt) 並停留在其中。由 MOSFET 進行開關將需要增加或移除足夠的閘極電荷。絕緣式閘極驅動器必須以高電流驅動 MOSFET 閘極，才能增加或移除閘極電荷，藉以降低功率損耗。方程式 1 計算絕緣式閘極驅動器將增加或移除的所需 SiC MOSFET 電荷，顯示 MOSFET 閘極電流與閘極電荷成正比： QGATE = IGATE × tSW 其中 IGATE 是絕緣式閘極驅動器 IC 電流，tSW 是 MOSFET 的開啟時間。 對於 ≥150-kW 的牽引逆變器應用，絕緣式閘極驅動器應具有 >10A 的驅動強度，能夠以高壓擺率透過米勒平台切換 SiC FET，並運用較高的開關頻率。SiC FET 具有較低的反向復原電荷 (Qrr) 和更穩定的過熱導通電阻 (RDS(on))，可提高開關速度。MOSFET 停留在米勒平台的時間愈短，功率損耗和自我加熱就愈低。 TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 是高電流、符合 TI 功能安全標準的 30A 閘極驅動器，其具有基本型或強化型絕緣，以及用於與微控制器進行故障通訊的序列週邊設備介面數位匯流排。圖 3 比較 UCC5870-Q1 和競爭閘極驅動器之間的 SiC MOSFET 開啟。UCC5870-Q1 閘極驅動器的峰值電流為 39A，並透過米勒平台保持 30A 的電流，藉以實現更快的開啟，這是理想的結果。透過比較兩個驅動器之間的藍色 VGATE 波形斜坡，也可以明顯看出更快的開啟。在 10 V 的米勒平台電壓下，UCC5870-Q1 的閘極驅動器電流為 30 A，而競爭裝置的閘極驅動器電流為 8 A。
絕緣式閘極驅動器的功率損耗影響 閘極驅動器米勒平台比較也與閘極驅動器中的開關損耗有關，如圖 4 所示。在這項比較中，驅動器開關損耗差異高達 0.6 W。這些損耗導致逆變器的總功率損耗，並加強對高電流閘極驅動器的需求。
熱散逸 功率損耗會導致溫度升高，造成熱管理更加複雜，因為需要散熱器或更厚的印刷電路板 (PCB) 銅層。高驅動強度有助於降低閘極驅動器的外殼溫度，因此不需要使用較昂貴的散熱器或額外的 PCB 接地層降低閘極驅動器的 IC 溫度。在圖 5 所示的熱影像中，UCC5870-Q1 的運作溫度降低 15°C，這是由於較低的開關損耗和通過米勒平台的較高驅動電流。
結論 隨著 EV 牽引逆變器的功率增加到 150 kW 以上，選擇透過米勒平台達到最大電流強度的絕緣式閘極驅動器可以降低 SiC MOSFET 功率損耗並加快開關頻率，藉以提高效率，確實改善新的 EV 模型驅動範圍。符合 TI 功能安全標準的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 30-A 閘極驅動器隨附有助於實作的許多設計支援工具。 |
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