牵引逆变器是电动汽车性能的关键?

电动汽车 (EV) 的决定性特征可能是其电池和电动牵引电机，但它们需要第三个同样重要的元素的存在：牵引逆变器。牵引逆变器允许电动汽车电池与电动机一起工作，将电池的直流电转换为交流电来驱动电动机。

电动汽车市场已经稳固，但电动汽车技术还远未完全成熟。电动汽车性能、可靠性和安全性的改进仍然是可能的，汽车行业仍在忙于追求这些目标。人们对电池和电机技术给予了极大的关注，但近牵引逆变器的创新也很重要。

近推出了用于牵引逆变器的栅极驱动器，该驱动器首次可以根据电动汽车的运行条件在多个预设电流值之间切换；换句话说，栅极驱动器提供动态栅极强度。个例子是 NXP 的 GD3162。

改变栅极强度使得逆变器控制算法能够针对电机的当前状况优化逆变器功率器件的开关速率。例如，当环境温度非常冷时（这可能会影响功率设备的开关速率）或在提供该功能的车辆的再生制动期间（这可能会增加总线电压并导致设备因过冲而产生应力）。

主要好处是电动汽车的整体效率得到提高，但恩智浦的创新还提供了强大的功能安全解决方案，同时改进了典型的硬件设计标准以保护功率设备。汽车制造商可以选择如何利用效率改进，但是，例如，原始设备制造商可以利用该改进将车辆的行驶里程增加一个适度但可测量的量。

栅极驱动器

电动汽车的牵引逆变器必须提供 80 千瓦至 200 千瓦以上的高功率水平、耐高温且重量轻。

牵引逆变器中的栅极驱动器驱动逆变器的功率器件，传统上是硅 IGBT，但越来越多地采用碳化硅 (SiC) MOSFET。功率器件是将电池的直流电转换为电机的交流电的开关。

 
图 1. 电动汽车牵引逆变器的示意图。通常使用六个独立的栅极驱动器 IC，典型的三相交流电机的每个相使用两个。栅极驱动器直接驱动功率器件 — IGBT 或碳化硅 (SiC) MOSFET，它将电池的直流电转换为电机的交流电。栅极驱动器通常将开关速率设置为单个特定值。但是，具有动态栅极强度的栅极驱动器可以根据电机状况改变开关速率。图片由Bodo’s Power Systems

电动汽车的牵引逆变器通常包含六个分立栅极驱动器 IC 和六个功率器件，三相交流电机的每相各两个（图 1）。栅极驱动器（包括栅极强度命令）通常由牵引逆变器的微控制器管理。

电阻器可可靠地限制对栅极充电或放电的峰值电流。传统上，特定值是固定的，以防止坏情况下的过压，从而在更标称的条件下保留潜在的节能潜力。

动态门强度

然而，改变栅极开启或关闭速度的能力对于电力设备和电机具有许多潜在的有利影响。

电源开关的特性很明确，但车辆会遇到许多影响电源开关电气性能的条件。部分列表包括电机电流、电池/总线电压和功率器件温度的变化。调节栅极驱动电流可以调节特定条件下的开关事件（能量），这对于在所有条件下实现效率化非常宝贵（图 2）。

图 2. 一定电流范围内 EON/EOFF 的比较。图片由博多电力系统提供

如果可以根据驾驶条件选择开关行为（如果可以选择动态栅极强度），那么逆变器（和车辆）的性能可能会更加高效。

恩智浦通过在其栅极驱动器中集成额外的引脚来提供此选项。NXP GD3162 栅极驱动器有两个用于开启路径的引脚和两个用于关闭路径的引脚，这些引脚可以独立连接。它提供了高达大约 10 A 或高达大约 20 A 的输出之间的选择，以及第三种选择，即使用两者一起提供高达大约 30 A 的电流。为什么“大约”？实际上，OEM 或系统设计人员可能希望包含一个功率限制电阻来限制电流，以便根据 OEM 的偏好和其他要求，电流值小于 10 A、20 A 或 30 A。系统限制。

栅极强度可以通过数字输入引脚或 SPI 命令进行控制（图 3）。无论哪种方式，客户都可以随心所欲地驱动他们的功率设备。由于驱动栅极的电流范围如此广泛，GD3162 甚至可以并行驱动多个器件或芯片。

图 3.  GD3162 栅极驱动器的应用图包括两个独立的导通和关断电阻。门强度可以通过 SPI 命令或通过 GPIO 引脚选择。图片由博多电力系统提供 

借助 GD3162 器件，可以在电机旋转时实时命令和执行所需的门强度。

效率

功率器件可能因过大的电压应力而损坏。此外，尽管汽车电子产品的额定工作温度范围很宽，但只要可以限制汽车 IC（包括日益先进的栅极驱动器）的热负载，我们仍然建议这样做。

栅极驱动电阻器的设计通常从检查坏情况条件（例如负载、电压）开始。目标是在这些情况发生时提供足够的抵抗力以提供保护。

这确实可以限度地减少潜在的损害，但坏的情况本质上是非典型的。添加提供动态栅极强度的栅极驱动器（例如 NXP GD3162 栅极驱动器），允许在强调更典型（较轻）条件的栅极强度设置下运行。

系统持续评估多个系统因素（电流、电压、温度）并始终控制栅极强度。它在 OEM 指定的典型条件下的设置下运行，当非典型条件发生时，它会自动更改为更适合非典型条件的设置，然后在条件恢复正常时动态恢复。GD3162 栅极驱动器使系统集成商能够更好地控制如何地保护功率器件。在更适合典型操作的模式下，相关的效率提升可能是显着的。

图 4. 高栅极强度与低栅极强度下开关事件的比较。GD3162 栅极驱动器可以通过 ISEN/COMP 引脚影响高压侧的栅极强度。图片由博多电力系统提供

因此，系统设计人员应该能够采用更小的冷却系统，从而减小逆变器的尺寸和重量。减小车辆整体尺寸和重量终可以对续航里程产生积极影响。