随着电动汽车的日益普及，为了延长单次充电后的行驶里程，针对牵引逆变器系统的半导体创新层出不穷，其中之一是将电池系统母线电压从400V提升到800V，同时使用碳化硅（SiC）场效应晶体管（FET）来实现更高的效率、功率密度和可靠性。为此，更需要通过隔离来实现敏感电子元件与快速瞬变高电压组件之间的安全通信，并保证人身安全。
德州仪器（TI）最近发布了一款用于电动汽车的最新碳化硅隔离式栅极驱动器，能够通过提高牵引逆变器的效率延长电动汽车的续航里程。该公司混动汽车/电动汽车部门总经理吴万邦（Mark Ng）表示，新产品利用高电压技术创新成果，可以让牵引逆变器更安全、更高效，将车辆的年行驶里程延长多达1600公里。

应对高电压电源转换设计的挑战
牵引逆变器是电动汽车中消耗电池电量的主要零部件，功率级别可达150kW或更高。牵引逆变器的效率和性能直接影响电动汽车单次充电后的行驶里程。因此，为了构建下一代牵引逆变器系统，业界广泛采用高电压半导体技术，特别是SiC FET来实现更高的可靠性、效率和功率密度，同时降低噪声和系统成本。
如果能够使用适用于牵引逆变器的高效的、符合功能安全要求的隔离式栅极驱动器，就可以更大限度延长行驶里程。另外，通过高性能拓扑可以实现更小、更高效的系统，改进电动汽车的充电能力；还可以使用各种支持不同电芯化学成分和车辆架构的兼容器件，让电动汽车更加经济实惠，在提高动力总成系统的可靠性和性能的同时，实现安全行驶。
吴万邦表示，TI的持续技术创新和专业知识可以帮助客户更大限度地延长电动汽车行驶里程，让电动汽车更加经济实惠，并提高充电速度，增强操作安全性。不过，设计人员在采用高电压电源转换设计时需要面对提高效率、功率密度和可靠性，降低设计复杂性的挑战。
他指出，事实上，人们对提高电动汽车可靠性和电源性能的需求与日俱增，虽然效率提升对每次充电后的行驶里程有直接影响，但实现效率提升对设计人员而言非常困难，因为大部分牵引逆变器的运行效率已达到90%，甚至更高。
而TI针对SiC牵引逆变器的高集成度功能安全合规型隔离式栅极驱动器恰恰可以解决上述挑战。

提升栅极驱动能力成灵丹妙药
据吴万邦介绍，通过使用TI UCC5880-Q1栅极驱动器，设计人员可以在系统运行时迅速（20毫秒内）调节栅极驱动强度（调整步长在5A和20A之间），通过最大限度地减少SiC开关损耗，可将牵引逆变器系统效率提升高达2%，从而将每次电池充电后的行驶里程延长多达11公里，这11公里可能决定着消费者是找到充电桩还是被困在路上。举例讲，对于每周为车辆充三次电的用户来说，年行驶里程可延长1600多公里。
UCC5880-Q1可减小系统尺寸，降低BOM成本，并具有实时可调的栅极驱动能力和SiC模块监控和保护功能，可实现更高的系统效率并提高系统可靠性，适用于汽车和工业等高压应用。如果搭配UCC14141-Q1隔离式辅助电源模块使用，可进一步减少元件，提高功率密度
他说，实时可变栅极驱动能力是一项新的功能，其优势可让设计人员优化不同工况下的系统参数，例如会影响电动汽车行驶里程的效率和会影响可靠性的SiC过冲。
当电池电量在80%到100%之间时，使用较低的驱动强度可降低EMI和电压过冲的风险；当电池电量低于80%时，使用较高的驱动强度可通过降低开关损耗来提高系统效率。
随着电池电量从80%降至20%，采用高栅极驱动强度可降低开关损耗并提高牵引逆变器效率。这在充电周期75%的时间内都适用，因此效率提升非常明显。
UCC5880-Q1扩展了TI功能安全驱动器的产品矩阵，以及具有实时可变栅极驱动特性、使用于牵引逆变器的驱动器产品系列，可以在高功率和高电压牵引逆变器系统中为系统带来巨大优势。
此外，UCC5880-Q1还可以简化设计流程，加快产品上市速度，同时实现安全和性能目标。

面向整个系统的技术创新
为应对牵引逆变器趋势，TI技术在技术、设计、封装和测试方面进行了引领市场的创新IP开发，为客户提供完整的解决方案，包括提供更广泛的服务和第三方支持网络。


牵引逆变器高电压设计框图

TI在BMS技术领域不断创新，全系列产品包括用于无线BMS的MCU CC2662R-Q1、隔离式预充开关驱动器TPSI3050-Q1和隔离式开关驱动器件TPSI2140-Q1。TI还提供设计套件，其中包括参考板、仿真器和AUTOSAR复杂器件驱动器。


面向整个系统创新型IP开发

TI推出的符合汽车功能安全ISO26262标准、基于SPI通信接口的隔离式栅极驱动器UCC5880-Q1具有实时可变的栅极驱动能力调节和先进的SiC监控、保护以及集成的功能安全诊断功能，有助于客户提高系统效率和可靠性，并减小系统尺寸和降低成本。
除了延长电动汽车行驶里程外，还可以实现高达汽车安全完整性等级（ASIL）D的认证。通过调整驱动强度，UCC5880-Q1可将开关能量损耗降低50%，同时减少40%的SiC瞬态电压过冲；集成的诊断和内置自检（BIST）功能可简化功能安全设计评估。
在提高功率密度、简化设计和降低系统成本方面，通过单芯片集成诊断和保护功能（如栅极电压阈值监测），可减少外部元器件数量，降低系统设计复杂性；集成的串行外设接口（SPI）和数字输入引脚可实现器件可编程，提高设计灵活性；借助集成的诊断和保护功能，UCC14141-Q1和UCC5880-Q1芯片组合可减少最多30%的PCB面积（与分立式方案相比），从而实现集成式动力总成架构设计，即将牵引逆变器和其他子系统（如车载充电器和直流/直流转换器）集成在一起，减少30个分立元件或更多外部元件的成本。


UCC5880-Q1隔离栅极驱动器评估板

快速实现原型设计
TI还推出了UCC5880-Q1器件评估板、工具和资源，包括800V、300kW SiC电动汽车牵引逆变器系统参考设计。可定制、经测试的高集成设计包含UCC5880-Q1、辅助电源模块、实时控制MCU和高精度检测功能，有助于减小尺寸并提高功率密度。使用该参考设计，工程师可进一步减少元件，更快设计出一套高效的牵引逆变器系统原型机。



持续研发高电压电源转换技术
吴万邦最后表示，TI不断投资研发高电压电源转换技术，推出GaN IC和SiC、IGBT驱动器和控制器产品系列，更大限度减少高电压系统的功率损耗，提高开关速度、驱动强度、电源功率密度和系统效率。通过功率转换和宽带隙技术创新，帮助工程师充分解锁高电压技术的强大功能。


TI的高电压电源转换技术

汽车制造商利用TI全新UCC5880-Q1增强型隔离式栅极驱动器提供的功能，可以构建更安全、更高效、更可靠的SiC和IGBT牵引逆变器，使其具备实时可变的栅极驱动能力、串行外设接口（SPI）、功率模块监控和保护以及功能安全诊断能力。
电动汽车动力总成工程师能够在提高功率密度、降低系统设计复杂性和成本的同时实现其安全和性能目标。