GD3162 动态闸极优势于牵引逆变器应用

1.  概述:

1.1 EV牵引逆变器一直在提升效率以增加车辆行驶里程的需求下面临挑战，同时也需要更高的安全性和可靠性。为了提高效率，我们试图通过积极调节开关以减少能量损耗，但同时我们必须留意这种调节对电压压力的影响。因此，我们必须在确保系统安全的前提下平衡开关速度，避免过度震荡可能对电力装置造成损害。

1.2 GD3162提供了动态调节闸极强度的功能。它允许在系统条件（如温度、汇流排电压、相位电流）下，周期性地或在关键操作范围内调节闸极强度。这种方式在提升牵引逆变器系统效率和可靠性方面达到了良好的平衡。

1.3 相较于前一代产品，GD3162带来了一些额外的优势，例如可选的直流连接放电功能、测量功率模组RDS(on)的能力、更可控的ADC取样，以及动态闸极强度控制。 其中动态闸极驱动可以透过串行外设接口（SPI）命令，或者利用新增的两个低电压（LV）领域逻辑引脚和两个高电压（HV）闸极驱动引脚实现。因此，GD3162无法与GD3100或GD3160进行引脚对引脚的兼容。
 

2. GD3162 动态闸极功能设计与牵引逆变器应用：

2.1 GD3162具有两个独立的引脚用于打开（GH_1和GH_2）和关闭（GL_1和GL_2）功率元件。可以根据一些外部监测信息（如功率元件温度、DC-Link 电压或输出电流）实时调整强度。

2.2 启动操作方面，GH_1提供最强的闸极至VCC的驱动路径，拥有高达20A的峰值电流能力；而GH_2则为相对较弱的驱动路径，将闸极开启至VCC，其峰值电流能力为10A。GH_1和GH_2可同时操作，提供从VCC到闸极端子的低阻抗开启操作，最高可达30A的峰值电流能力。

     关闭操作方面，GL_1提供最强的闸极至VEE的驱动路径，其峰值电流能力为20A；而GL_2则为较弱的驱动路径，将闸极关闭至VEE，其峰值电流能力为10A。GL_1和GL_2可同时操作，提供从VEE到闸极端子的低阻抗关闭操作，最高可达30A的峰值电流能力。

2.3 GD3162拥有两个输入引脚，用于配置闸极强度选择，GS_ENH对应GH_1或GH_2，GS_ENL对应GL_1或GL_2的选择上，如下图所示

• GS_ENH逻辑高 = GH_1（峰值+/- 20A）
• GS_ENH逻辑低 = GH_2（峰值+/- 10A）
• GS_ENH 2.5V时 = GH_1 || GH_2（峰值+/- 30A）
• GS_ENL逻辑高 = GL_1（峰值+/- 20A）
• GS_ENL逻辑低 = GL_2（峰值+/- 10A）
• GS_ENL 2.5V时 = GL_1 || GL_2（峰值+/- 30A）

同时，斜率选择也可以通过SPI进行。
 

3. GD3162 应用范例介绍：

3.1 在典型的行驶条件下（电压≤800 V，相位电流≤200 A），利用强驱动路径进行开关操作可显著减少开关损耗，进而节省能量。下图显示了在开启和关闭条件下使用不同路径所造成的开关损耗影响。

3.1.1. 透过测试，我们发现在负载范围15A到200A下，采用强驱动路径时，Eon开关损失可减少70％。对于这个特定的逆变器应用，采用SiC功率模块和六个GD3162，PWM频率为20 kHz，在200A负载下，全系统的Eon开启损耗节能如下:

    switching frequency × (Eon(strong) − Eon(weak)) × 6 = 20 kHz × (3.7 mJ − 1.08 mJ) × 6 = 314 W

3.1.2. PWM频率为20 kHz，在200A负载下，全系统的Eoff 关闭损耗节能如下:

    switching frequency × (Eoff(strong) - Eoff(weak)) × 6 = 20 kHz × (6.42 mJ - 3.65 mJ) × 6 = 332 W。

4. GD3162 评估套件:

5.  设计参考资料:

1. FRDMGD3162HBIEVM Half-Bridge Evaluation Kit | NXP Semiconductors 

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