如何将 SiC MOSFET 导入设计以提高电动汽车牵引逆变器的效率

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) 内的最大交流电流 1600A。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：ON Semiconductor）

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 3.26 eV。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。较高的导热性能导致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：ON Semiconductor）

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 供应越来越广泛

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 成为更多种类的选择。

On Semiconductor：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 On Semiconductor 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 = 60 A, Tj = 25˚C)。最大连续漏源二极管正向电流 (ISD) 为 148A（VGS= -5 伏，Tj = 25˚C），最大脉冲漏源二极管正向电流 (ISDM) 为 448A（VGS = -5 伏，Tj = 25˚C）。NTBG020N120SC1 则在 VGS 为 20 伏时具有 28 mΩ 的 RDS(ON) (ID = 60 A, Tj = 25˚C)。最大 ISD 为 46 A（VGS = −5 伏，Tj = 25˚C），最大 ISDM 是 392 A（VGS = −5 伏，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 -5 伏），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 20 伏）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）。


图 3：对于 NTBG020N090SC1 SiC MOSFET，需要高 VGS 以避免高 RDS(ON) 带来热应力。（图片来源：ON Semiconductor）

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 = 25 伏和 VEE = -10 伏。
· 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 10 A 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 > 16 伏的要求相匹配。
· 提供 VEE UVLO 监测能力，以确保负电压轨在可接受的范围内。

On Semiconductor 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：ON Semiconductor）

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：ON Semiconductor）

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。On Semiconductor 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：展示 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：ON Semiconductor）

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：ON Semiconductor）

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，On Semiconductor 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。

来源：Digi-Key
作者：Steven Keeping