GD3162 動態閘極優勢於牽引逆變器應用

1.  概述:

1.1
      EV牽引逆變器一直在提升效率以增加車輛行駛里程的需求下面臨挑戰,同時也需要更高的安全性和可靠性。為了提高效率,我們試圖通過積極調節開關以減少能量損耗,但同時我們必須留意這種調節對電壓壓力的影響。因此,我們必須在確保系統安全的前提下平衡開關速度,避免過度震盪可能對電力裝置造成損害。

1.2
      GD3162提供了動態調節閘極強度的功能。它允許在系統條件(如溫度、匯流排電壓、相位電流)下,週期性地或在關鍵操作範圍內調節閘極強度。這種方式在提升牽引逆變器系統效率和可靠性方面達到了良好的平衡。

1.3  
      相較於前一代產品,GD3162帶來了一些額外的優勢,例如可選的直流連接放電功能、測量功率模組RDS(on)的能力、更可控的ADC取樣,以及動態閘極強度控制。 其中動態閘極驅動可以透過串行外設接口(SPI)命令,或者利用新增的兩個低電壓(LV)領域邏輯引腳和兩個高電壓(HV)閘極驅動引腳實現。因此,GD3162無法與GD3100或GD3160進行引腳對引腳的兼容。

2. GD3162 動態閘極功能設計與牽引逆變器應用

2.1
      GD3162具有兩個獨立的引脚用於打開(GH_1和GH_2)和關閉(GL_1和GL_2)功率元件。可以根據一些外部監測信息(如功率元件溫度、DC-Link 電壓或輸出電流)實時調整強度。

2.2
      啟動操作方面,GH_1提供最強的閘極至VCC的驅動路徑,擁有高達20A的峰值電流能力;而GH_2則為相對較弱的驅動路徑,將閘極開啟至VCC,其峰值電流能力為10A。GH_1和GH_2可同時操作,提供從VCC到閘極端子的低阻抗開啟操作,最高可達30A的峰值電流能力。

      關閉操作方面,GL_1提供最強的閘極至VEE的驅動路徑,其峰值電流能力為20A;而GL_2則為較弱的驅動路徑,將閘極關閉至VEE,其峰值電流能力為10A。GL_1和GL_2可同時操作,提供從VEE到閘極端子的低阻抗關閉操作,最高可達30A的峰值電流能力。
2.3  
      GD3162擁有兩個輸入引腳,用於配置閘極強度選擇,GS_ENH對應GH_1或GH_2,GS_ENL對應GL_1或GL_2的選擇上,如下圖所示

 

  • GS_ENH邏輯高 = GH_1(峰值+/- 20A)
  • GS_ENH邏輯低 = GH_2(峰值+/- 10A)
  • GS_ENH 2.5V時 = GH_1 || GH_2(峰值+/- 30A)
  • GS_ENL邏輯高 = GL_1(峰值+/- 20A)
  • GS_ENL邏輯低 = GL_2(峰值+/- 10A)
  • GS_ENL 2.5V時 = GL_1 || GL_2(峰值+/- 30A)
同時,斜率選擇也可以通過SPI進行。


3. GD3162 應用範例介紹:

3.1  在典型的行駛條件下(電壓≤800 V,相位電流≤200 A),利用強驅動路徑進行開關操作可顯著減少開關損耗,進而節省能量。下圖顯示了在開啟和關閉條件下使用不同路徑所造成的開關損耗影響。



3.1.1. 透過測試,我們發現在負載範圍15A到200A下,採用強驅動路徑時,Eon開關損失可減少70%。對於這個特定的逆變器應用,採用SiC功率模塊和六個GD3162,PWM頻率為20 kHz,在200A負載下,全系統的Eon開啟損耗節能如下:
    switching frequency × (Eon(strong) − Eon(weak)) × 6 = 20 kHz × (3.7 mJ − 1.08 mJ) × 6 = 314 W



3.1.2. PWM頻率為20 kHz,在200A負載下,全系統的Eoff 關閉損耗節能如下:
    switching frequency × (Eoff(strong) - Eoff(weak)) × 6 = 20 kHz × (6.42 mJ - 3.65 mJ) × 6 = 332 W。



4. GD3162 評估套件:



5.  設計參考資料:
1. https://www.nxp.com/design/development-boards/analog-toolbox/gd3162-half-bridge-evaluation-kit:FRDMGD3162HBIEVM

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