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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。 此图片来源于网络
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。 此图片来源于网络
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。 此图片来源于网络
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。
