EV/HEV中的牵引逆变器驱动优化

1、碳化硅牵引逆变器

什么是牵引逆变器？从本质上讲，牵引逆变器是电动汽车动力系统中的一个子系统，它从电池中获取高电压，并将其转换为交流电压——因此被称为逆变器——并基本上为电机供电。它控制电机速度和扭矩，直接影响效率和可靠性，这正成为牵引逆变器设计的设计挑战。

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如今的电动汽车至少有一个牵引逆变器。有些型号实际上不止一个。一个在前轴上，一个在后轴上。甚至一些高端车型实际上每个车轮都有一个牵引逆变器。因此，效率和可靠性非常重要。所以，从逆变器和电机控制的市场趋势来看——从技术趋势来看，我们看到了功率水平的提高。今天的主流汽车的功率水平大致在60到70千瓦之间，可能在80千瓦之间，但我们看到下一代电动汽车的功率级别从100千瓦一直增加到500千瓦甚至更多。我们还看到了使用更高电池电压的趋势——因此从400伏切换到800伏。原因是现在有很多碳化硅FET可以帮助提高效率，而且它们在更高的电压下工作——800伏或更高。更高的系统集成度、功率密度和效率是另一个趋势。

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碳化硅牵引逆变器是一种在轨道交通领域应用的电力电子设备，其核心技术是采用碳化硅（SiC）材料制成的功率半导体器件。与传统的硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）相比，碳化硅器件具有更高的开关频率、更低的能耗和更小的体积，因此在轨道交通领域具有广泛的应用前景。由于碳化硅器件具有更高的耐压和耐流能力，因此其栅极驱动电压和电流通常也更高。栅极驱动器需要提供足够的驱动电压和电流，以确保碳化硅器件能够快速、准确地开关。碳化硅器件具有更高的开关速度，这意味着栅极驱动器需要具有更快的响应速度，以确保器件在需要时能够及时开关。这有助于减少开关损耗，提高逆变器的效率。

碳化硅（SiC）驱动的难点主要包括以下几个方面：

高开关速度带来的挑战：碳化硅材料具有出色的物理特性，如高击穿场强、高饱和电子漂移速度等，使得碳化硅功率器件具有极高的开关速度。然而，这也带来了驱动电路设计上的挑战，需要设计快速而精确的驱动电路，以确保碳化硅器件能够准确地执行所需的开关操作。

高温工作环境的挑战：碳化硅器件能够在高温环境下稳定工作，这使得其在电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，高温工作环境也对驱动电路提出了更高的要求，需要设计能够承受高温的驱动电路，并确保其在高温环境下的稳定性和可靠性。

电磁干扰（EMI）问题：由于碳化硅器件的高速开关特性，容易产生电磁干扰，对周围电子设备和系统造成影响。因此，在驱动电路设计中需要采取有效的电磁干扰抑制措施，以降低电磁干扰对系统的影响。

保护技术的挑战：碳化硅器件具有开关频率快、短路时间短等特点，对保护技术提出了更高的要求。目前，碳化硅功率器件的保护技术尚不能完全满足需求，需要进一步完善和发展。

成本考虑：虽然碳化硅器件具有许多优势，但其制造成本相对较高，这也限制了其在某些低成本应用中的使用。因此，在驱动电路设计中需要综合考虑性能和成本因素，以实现最佳的成本效益。

综上所述，碳化硅驱动的难点主要涉及到高开关速度、高温工作环境、电磁干扰、保护技术和成本等方面的挑战。为了解决这些难点，需要不断进行技术研究和创新，提高驱动电路的性能和可靠性，并推动碳化硅功率器件在更广泛领域的应用。

 2、全集成栅极驱动器

牵引逆变器的设计主要考虑的因素是什么？在电动汽车方面，需要考虑如何最大化相同电池充电的续航里程？如何改进电动汽车基础设施，并将电动汽车充电改进为我们所说的快速充电器？我们如何让电动汽车更实惠？如何确保乘客的安全操作？因此，当从电动汽车过渡到电动汽车的设计考虑时，最大化电动汽车续航里程当然是效率问题、成本、尺寸以及保护或可靠性——逆变器应具有哪些保护和监测功能以确保安全性和可靠性。

逆变器子系统需要设计的关键子系统是什么？微控制器、控制器、栅极驱动器、偏置电源，而且它们是高度集成的。反馈回路确保一切都是实时的，尽可能准确和精确。母线电压的变化也会影响效率。功率模块，无论是碳化硅还是IGBT，因为这些模块将耗散电流，因此处于热应力下。因此，当我们看到这些趋势并为其进行设计时，我们也看到了将更多电路和更多功能集成到栅极驱动器本身的必要性。

栅极驱动器是一种用于控制功率半导体开关器件（如IGBT、MOSFET和SiC等）的关键组件。它的主要作用是为功率半导体开关器件提供适当的栅极电压和电流，以控制其开通和关断过程，从而实现高效的能量转换和电路控制。

全集成栅极驱动器（Fully Integrated Gate Driver，简称FIGD）是一种将栅极驱动功能与其他相关电路高度集成的电子组件。它不仅仅是一个简单的栅极驱动电路，而是将保护、诊断、控制和隔离等功能都集成到一个紧凑的封装中。这种集成化的设计旨在简化电力电子系统的复杂性，提高系统的可靠性和效率。

全集成栅极驱动器的主要特点包括：

高度集成：全集成栅极驱动器将栅极驱动、保护、诊断和控制等功能都集成到一个封装内，大大减少了系统的组件数量和布线复杂性。

高电压隔离：全集成栅极驱动器提供高电压隔离功能，确保控制电路与功率电路之间的电气隔离，提高系统的安全性。

快速响应：由于集成了优化的控制算法和高速驱动电路，全集成栅极驱动器能够提供快速而准确的栅极驱动信号，确保功率半导体开关器件的快速开关。

全面保护：全集成栅极驱动器通常具备多种保护功能，如过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护等，能够实时监测和响应各种异常情况，保护功率半导体开关器件免受损坏。

智能诊断：全集成栅极驱动器具备自诊断功能，能够监测自身的工作状态和系统的运行状况，并通过输出诊断信号或通信接口向外部系统提供状态信息。

易于使用：全集成栅极驱动器采用标准化的接口和封装形式，方便用户进行安装和调试，降低了系统设计和制造的复杂度。

全集成栅极驱动器广泛应用于电动汽车、风力发电、太阳能逆变器、工业电机驱动等领域，为电力电子系统的高效、可靠运行提供了重要支持。随着电力电子技术的不断发展，全集成栅极驱动器将继续朝着更高性能、更小体积、更低成本的方向发展。

3、栅极驱动强度自适应

目前智能栅极驱动器产品中有一个新技术，被称为栅极驱动强度自适应技术，它实时可变栅极驱动器强度，以优化效率和瞬态过冲之间的关系。如果你是一名牵引逆变器设计师，必须担心电机、电机电流、负载、温度以及电池充电和电压，因为所有这些都会影响电动汽车的效率、EMI以及碳化硅FET的过冲。它们会影响电池尺寸、成本、每次充电的续航里程和可靠性。

因此，设计的挑战是如何实现栅极驱动——一种实时可变栅极驱动，可以根据较弱栅极驱动强度和较强栅极驱动强度之间的不同操作条件随意切换。你就可以实时优化这些关键的设计参数、效率、EMI和过冲。当电池充满电时，这会给碳化硅FET开关带来过冲方面的压力。实时可变栅极驱动强度将提高效率和增加功率密度，并能够实时调整逆变器参数来解决这些挑战，从而降低系统成本。

有两种方法可以实现可变栅极驱动强度——在每个PWM周期上改变栅极驱动强度。一个是离散的。重复使用单个功率级，然后添加一堆组件负责启用和禁用驱动强度调整和外部电阻器，然后是一个数字隔离器。但现在，更聪明的方法当然是尝试将这个实现集成到门驱动程序中。

栅极驱动强度影响功率开关的开关速度，以及过电压方面的电压。因此，从本质上讲，必须相应地调整测量电阻器的大小，以选择弱或强栅极驱动，这样做可以再次优化碳化硅开关的效率与漏极到源极的过冲。

另外，在低温条件下，功率半导体开关器件在承受一定的漏源电压（VDS）时的短路能力（SOA）会降低。换句话说，当环境温度降低时，器件在短路条件下能够承受的最大电流和最大时间会减少，这可能会增加器件在短路事件中的损坏风险。

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因为当电池充满电时，基本上从100%到大约80%，碳化硅过冲的余量较小。这意味着，现在必须使用外部电阻器，以确保碳化硅FET不会受到压力，不会超过过冲阈值——电源开关的最大阈值。

但是，当电池开始放电时——大约从80%到20%，这几乎是电池放电周期的3/4——就可以开始使用强大的驱动强度，因为有更多的碳化硅过冲裕量，所以可使用强大的栅极驱动来提高效率。在某种程度上，这就是在整个电池放电周期中，从弱栅极驱动到强栅极驱动的过程。

当负载电流较高时，当最大充电时的峰值电池电压超过80%时，以及当您在寒冷的温度下启动车辆或操作车辆时，应该使用弱门驱动。但是，随着电机的负载电流减少，电池本身放电——最大充电时不到80%，当工作温度或环境温度更高或更热时，应该能够开始使用强大的栅极驱动来真正提高效率。即实时自适应的驱动强度可优化全负载电流范围内、全温度范围内以及电池工作电压范围内的系统性能（以进一步兼顾开关损耗和系统可靠性）。