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牵引逆变器:电动汽车性能的关键

作者: 浮思特科技2024-06-03 14:42:58

  电动汽车(EV)的决定性特征可能是其电池和电动牵引电机,但它们需要一个同样重要的第三个元素:牵引逆变器。牵引逆变器使电动汽车的电池能够与电动机配合工作,将电池的直流电转换为驱动电机的交流电。

  尽管电动汽车市场已经牢固建立,但电动汽车技术还远未成熟。电动汽车的性能、可靠性和安全性仍有改进的空间,汽车行业依然在积极追求这些改进。虽然电池和电机技术备受关注,但牵引逆变器的创新也同样重要。

牵引逆变器

  最近推出的牵引逆变器门极驱动器,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,这些门极驱动器提供了动态门极强度。NXP的GD3162就是其中的一个早期例子。

  改变门极强度使得逆变器控制算法能够根据电机的当前状态优化逆变器功率器件的开关速度。例如,当环境温度非常低(这会影响功率器件的开关速度)或在具有再生制动功能的车辆中(这会增加总线电压并导致器件应力过大的情况下),这种优化尤为重要。

  主要的好处是电动汽车的整体效率得到了提高,而NXP的创新还提供了强大的功能安全解决方案,同时改进了典型硬件设计标准以保护功率器件。至于如何利用这种效率改进,取决于汽车制造商的选择,但例如,OEM可以利用这种改进来在一定程度上增加车辆的续航里程。

  门极驱动器

  电动汽车的牵引逆变器必须提供从80千瓦到超过200千瓦的高功率水平,能够承受高温,并且要轻量化。

  牵引逆变器中的门极驱动器驱动逆变器的功率器件,传统上是硅IGBT,但越来越多地使用碳化硅(SIC)MOSFET。功率器件是将电池的直流电转换为电机交流电的开关。

牵引逆变器

图1

  电动汽车的牵引逆变器通常包含六个独立的门极驱动IC和六个功率器件,每相三相交流电机各两个(见图1)。门极驱动器——包括门极强度指令——通常由牵引逆变器的微控制器管理。

  为了可靠地限制峰值电流以充电或放电门极,通常会包括电阻器。传统上,特定值已固定,以防止最坏情况下的过电压,从而在更名义的条件下留下潜在的能量节省。

  动态门极强度

  然而,改变门极开启或关闭速度的能力对功率器件和电机有许多潜在的有利影响。

  功率开关特性良好,但车辆会遇到许多影响功率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。调整门极驱动电流调节了特定条件下的开关事件(能量),这对于在所有条件下最大化效率是无价的(见图2)。

牵引逆变器

图2

  如果能够根据驾驶条件选择开关行为——如果动态门极强度是一个选项,逆变器(和车辆)的性能可能会更高效。

  NXP通过在其门极驱动器中集成额外的引脚提供了这一选项。NXP GD3162门极驱动器有两个用于开启路径和两个用于关闭路径的引脚,可以独立操作。它提供了高达大约10A或高达大约20A的输出选择,以及使用两者共同提供高达大约30A的第三选项。为什么是“大约”?实际上,OEM或系统设计师可能希望包括一个限流电阻,以限制电流,使得电流值低于10A、20A或30A,这取决于OEM的偏好和其他系统约束。

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图3

  门极强度可以通过数字输入引脚或SPI指令来控制(见图3)。无论哪种方式,客户都可以根据需要驱动其功率器件。通过如此广泛的可能电流范围驱动门极,GD3162甚至可以驱动多个设备或并联的芯片。

  使用GD3162设备,所需的门极强度可以在电机旋转时实时命令和执行。

  效率

  功率器件可能会因过度电压应力而损坏。尽管汽车电子元件被设计为在宽温度范围内工作,但只要有可能限制汽车IC(包括越来越先进的门极驱动器)的热负荷,依然是明智的。

  门极驱动电阻的设计通常从检查最坏情况条件(如最大负载、最大电压)开始。目标是在这些条件发生时提供足够的电阻以提供保护。

  这确实最小化了潜在的损害,但最坏情况条件本质上是不常见的。增加一个提供动态门极强度的门极驱动器,如NXP GD3162门极驱动器,可以在更典型(更轻)的条件下运行在门极强度设置。

  系统连续评估多个系统因素(电流、电压、温度),并始终控制门极强度。它在OEM指定为典型条件最优的一个设置下运行,当非典型条件发生时自动切换到更适合的设置,然后在条件恢复正常时动态返回。GD3162门极驱动器为系统集成商提供了更多控制如何最好地保护功率器件的能力。在更适合典型操作模式下的效率提升可能是显著的。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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