作為汽車電動牽引逆變器柵極驅動器的領先供應商之一，恩智浦不斷推動逆變器效率、功能安全和汽車性能的提升。恩智浦發(fā)布的 GD3162 具有動態(tài)柵極驅動功能，能夠在日益寬廣的工作范圍內(nèi)為先進功率開關器件 (如碳化硅、氮化鎵等) 提供卓越開關性能。GD3162器件的動態(tài)柵極強度控制不僅提高了逆變器的效率，還提供了強大的功能安全解決方案，同時改進了典型硬件設計標準，為功率器件保駕護航。

電池和電動牽引電機雖然是電動汽車 (EV) 的標志性特征，但這兩者的存在必然要求存在第三個同等重要的元素：牽引逆變器。牽引逆變器是連接電動汽車電池和電機的關鍵，它將電池的直流電轉換為驅動電機所需的交流電。

盡管電動汽車市場已經(jīng)穩(wěn)固，但其技術還遠未成熟。在性能、可靠性和功能安全方面，電動汽車仍有很大的提升空間，汽車業(yè)也在不斷改進。雖然人們的注意力多集中在電池和電機技術上，但最近在牽引逆變器方面的創(chuàng)新同樣意義重大。

近期，牽引逆變器柵極驅動器問世，首次能夠根據(jù)電動汽車的運行狀況在多個預設電流值之間切換。換言之，這種柵極驅動器提供了動態(tài)柵極強度控制。恩智浦 GD3162 就是率先采用這項技術的先驅之一。

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具有動態(tài)柵極強度控制的GD3162柵極驅動器技術白皮書， 點擊下載>>

由于柵極強度具有可調(diào)性，逆變器控制算法能夠根據(jù)電機的當前狀況優(yōu)化逆變器功率器件的開關速率，例如在極低環(huán)境溫度下 (可能影響功率器件的開關速率)，或在配備能量回收制動功能的車輛進行制動時 (可能導致母線電壓升高，引發(fā)器件過沖應力)。

這項技術的核心優(yōu)勢在于提高了電動汽車的整體效率，不僅如此，恩智浦的創(chuàng)新還提供了強大的功能安全解決方案，同時改進了典型硬件設計標準，為功率器件保駕護航。

汽車制造商可以靈活選擇如何利用這些效率提升，例如，OEM可以借此適度但切實地增加汽車的續(xù)航里程。

柵極驅動器

電動汽車的牽引逆變器需要滿足多項嚴苛要求：輸出功率范圍廣（從80kw到超過200kw），耐高溫，同時還要保持輕巧。

牽引逆變器中的柵極驅動器負責驅動逆變器的功率器件。傳統(tǒng)上，這些功率器件主要是硅基IGBT，但現(xiàn)在越來越多地采用碳化硅 (SiC) MOSFET。這些功率器件將電池的直流電轉換為驅動電機所需的交流電。

電動汽車牽引逆變器通常包含六個獨立的柵極驅動器IC和六個功率器件，每兩組對應三相交流電機的一個相位 (如圖1所示)。柵極驅動器的控制，包括柵極強度的調(diào)節(jié)，通常由牽引逆變器的微控制器來管理。

圖1：電動汽車牽引逆變器的示例原理圖。常見配置使用六個獨立的柵極驅動器IC，每兩個負責典型三相交流電機的一個相位。柵極驅動器直接驅動功率器件——IGBT或碳化硅 (SiC) MOSFET，將電池的直流電轉換為驅動電機的交流電。傳統(tǒng)柵極驅動器通常將開關速率設定為單一特定值。然而，具有動態(tài)柵極強度控制的柵極驅動器則可以根據(jù)電機狀況調(diào)整開關速率。

電路的電阻用于可靠地限制給柵極充電或放電時的峰值電流。傳統(tǒng)做法是，將電阻值固定在一個特定值，以防止最壞情況下的過壓，然而這種做法在更為常見的工作條件下可能會錯失潛在的節(jié)能機會。

動態(tài)柵極強度控制

改變柵極開關速度的能力對功率器件本身和電機都有許多潛在的有利影響。

雖然功率開關的特性已被充分研究，但汽車會遇到各種影響功率開關電氣性能的情況，包括電機電流的變化、電池/母線電壓的波動，以及功率器件溫度的變化等。

調(diào)節(jié)柵極驅動電流是根據(jù)特定條件調(diào)整開關事件 (電量)，這對于在各種情況下最大化效率至關重要 (圖2)。

圖2：不同電流范圍下EON/EOFF的比較。(來源：恩智浦)

如果能夠根據(jù)駕駛條件選擇開關行為， 也就是說，如果動態(tài)柵極強度控制成為一種可選項，逆變器 (進而整個車輛) 的性能將會更加高效。

恩智浦通過在其柵極驅動器中集成額外的引腳，實現(xiàn)了這一選項。恩智浦GD3162柵極驅動器為開通和關閉路徑各設置了兩個可獨立控制的引腳。它提供了大約10A、20A的輸出選擇，以及將兩者結合使用以提供高達約30A輸出的第三種選擇。

為什么說“大約”?實際上，OEM或系統(tǒng)設計人員可能希望包含一個限功率電阻，以根據(jù)OEM的偏好和其他系統(tǒng)限制，將電流值限制在略低于10A、20A或30A。

柵極驅動強度可以通過數(shù)字輸入引腳或SPI命令來控制 (圖3)。無論采用哪種方式，客戶都可以根據(jù)需求選擇驅動功率器件的強度。憑借如此寬泛的可選驅動電流范圍，GD3162甚至能夠驅動多個并聯(lián)的器件或芯片。

圖3：GD3162的應用框圖，其中包含兩組獨立的開通和關閉電阻。柵極驅動強度可以通過SPI命令或GPIO引腳進行選擇。

使用GD3162，所需的柵極驅動強度可以在電機旋轉過程中實時命令和執(zhí)行。

圖4：高柵極驅動強度與低柵極驅動強度下開關事件的比較。GD3162能夠通過ISEN / COMP引腳從高壓側影響柵極驅動強度。

提升效率

功率器件可能因電壓應力過高而受到損壞。盡管汽車電子產(chǎn)品的額定工作溫度范圍很寬，但只要有可能，仍然建議盡量減輕汽車集成電路 (包括日益先進的柵極驅動器) 的熱負荷。

柵極驅動電阻的設計通常始于對最壞情況 (如最大負載、最高電壓) 的研究。目標是提供足夠的電阻，以在這些情況下提供保護。

這確實最大限度地減少了潛在損害，但最壞情況本質上是非典型的。添加提供動態(tài)柵極強度控制的柵極驅動器 (如恩智浦的GD3162) 創(chuàng)造了一種選擇，可以在更注重典型 (較輕) 負載條件的柵極驅動強度設置下運行。

系統(tǒng)持續(xù)評估多個系統(tǒng)因素 (電流、電壓、溫度等)，始終控制柵極驅動強度，在OEM指定的最適合典型條件的設置下運行，當出現(xiàn)非典型情況時自動切換到更合適的設置，并在條件恢復正常時動態(tài)地切換回來。

GD3162為系統(tǒng)集成商提供了更多控制選項，以最佳方式保護功率器件。在更適合典型運行模式下的效率提升可能會非常顯著。

隨著柵極驅動器效率的提高，冷卻需求也得以緩解。因此，系統(tǒng)設計人員能夠采用更小的冷卻系統(tǒng)，這意味著整個逆變器的尺寸和重量都可以減小。減少整車尺寸和重量最終可能對續(xù)航里程產(chǎn)生積極影響。

功能安全和可靠性

牽引逆變器是一個安全關鍵型應用，通常需要滿足ASIL D級的要求。柵極驅動器集成電路必須促進牽引逆變器提升功能安全目標。GD3162為ASIL C/D級，可滿足汽車應用的嚴格要求，符合AEC-Q100的1級認證。

GD3162采用兩個引腳分別進行開通和關閉，防止柵極驅動電阻出現(xiàn)單點故障。該器件還能報告指令和接收到的柵極驅動強度，防止?jié)撛诠收匣驏艠O驅動強度指令的實時故障。

恩智浦牽引逆變器解決方案

GD3162是一款先進的電流隔離單通道柵極驅動器，專為驅動純電動汽車、混動電動汽車等中牽引逆變器的最新SiC和IGBT模塊而設計。

GD3162提供可調(diào)節(jié)的動態(tài)柵極強度控制驅動功能，具有強大的效率和安全優(yōu)勢。此外，它還具備先進的可編程保護功能，能自動化管理故障情況，并通過中斷引腳和SPI報告功率器件和柵極驅動器的狀況。

GD316專為高功能安全等級系統(tǒng) (ASILC/D) 而設計，可滿足汽車應用的嚴格要求，符合AEC-Q100的1級認證。

恩智浦的電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)解決方案包括多核鎖步MCU、安全SBC、CAN、以太網(wǎng)PHY和高壓柵極驅動器，高效可靠地控制向牽引電機的功率轉換。

恩智浦的系統(tǒng)解決方案提供了一套豐富的電機控制軟件包，與優(yōu)化的硬件配合。

該電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)還提供對高功率開關的精確控制、監(jiān)測和保護，以提高能效和可靠性。系統(tǒng)可以精確高效地控制電機速度和扭矩，符合ISO26262的ASIL D級要求。

為了支持客戶開發(fā)牽引逆變器并加速產(chǎn)品上市時間，恩智浦提供一個易于使用的電動汽車功率逆變器控制參考平臺，配有系統(tǒng)使能軟件。設計平臺包括原理圖、物料清單、布局文件和安全文檔，可用于IGBT或SiC MOSFET模塊。

用戶可以使用 FRDMGD3162HBIEVM評估板 (EVB) 全面探索GD3162的功能。通過更換評估板上的元器件，用戶可以評估不同電阻值的效果，并測試 GD3162各種柵極驅動強度的影響。

創(chuàng)新的柵極驅動IC

具有動態(tài)柵極強度控制的GD3162是創(chuàng)新的柵極驅動集成電路 (IC)，為汽車OEM提供了一個令人振奮的新選擇，可顯著提升牽引逆變器的性能。其動態(tài)柵極驅動功能可在日益寬廣的工作范圍內(nèi)為先進的功率開關器件 (如SiC、GaN) 提供卓越的開關性能。

GD3162的動態(tài)柵極強度控制提高了逆變器效率，提供了強大的功能安全解決方案，并改進了典型的硬件設計標準，為功率器件保駕護航。