開關(guān)器件的作用

    牽引逆變器通常由三個(gè)半橋元件組成，每個(gè)半橋元件由一對(duì)被稱為高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的 MOSFET 或 IGBT 組成。每個(gè)電機(jī)相有一個(gè)半橋，總共三個(gè)，柵極驅(qū)動(dòng)器控制每個(gè)開關(guān)器件。

    圖 1牽引逆變器概述突出顯示了關(guān)鍵設(shè)計(jì)構(gòu)建模塊。安森美
    開關(guān)的主要作用是打開和關(guān)閉高壓電池的直流電壓和電流，為驅(qū)動(dòng)車輛的電機(jī)提供交流驅(qū)動(dòng)。由于 800 V 電池可提供超過 200 kW 的功率，因此該應(yīng)用要求較高的電壓、電流和工作溫度。
    基于 400V 電池系統(tǒng)的牽引逆變器需要功率半導(dǎo)體器件的 V DS額定值在 650 V 至 750 V 范圍內(nèi)，而 800 V 解決方案將 V DS要求提高到 1,200 V。在典型應(yīng)用中，這些功率組件還必須能夠在長(zhǎng)達(dá) 30 秒 (s) 的時(shí)間內(nèi)處理超過 600 A 的峰值交流電流，并在大約 1 毫秒 (ms) 的時(shí)間內(nèi)處理 1,600 A 的交流電流。
    此外，用于該設(shè)備的開關(guān)晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠處理這些大負(fù)載，同時(shí)保持高牽引逆變器效率。
    IGBT 一直是牽引逆變器應(yīng)用的器件，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砀唠妷?、快速開關(guān)、實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行并滿足汽車行業(yè)具有挑戰(zhàn)性的成本目標(biāo)。
    為什么功率密度至關(guān)重要
    現(xiàn)代汽車極其狹窄，至少就技術(shù)空間而言是如此。這意味著功率密度是一個(gè)重要參數(shù)，尤其是對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)中的任何東西。因此，必須化物理尺寸（和重量），因?yàn)槿魏沃亓慷紩?huì)減少車輛的行駛里程。

    除了組件的物理尺寸之外，尺寸的主要驅(qū)動(dòng)因素是設(shè)計(jì)的效率。效率越高，產(chǎn)生的熱量越少，逆變器就越緊湊。

    圖 2開關(guān) IGBT 對(duì)于產(chǎn)生熱量的損耗量至關(guān)重要。安森美
    開關(guān)（無論是 IGBT 還是 MOSFET）對(duì)產(chǎn)生熱量的損耗影響為顯著。較低的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 值可減少靜態(tài)損耗，而柵極電荷 (Q g ) 的改善可減少動(dòng)態(tài)或開關(guān)損耗，從而使系統(tǒng)能夠更快地切換。如果開關(guān)速度更高，則可以大大減小磁性元件等無源元件的尺寸，從而提高功率密度。
    開關(guān)的工作溫度也會(huì)影響功率密度，因?yàn)槿绻O(shè)備能夠在更高的溫度下工作，則需要更少的冷卻，從而進(jìn)一步減小設(shè)計(jì)的尺寸和重量。
    在許多牽引逆變器設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵組件通常是單獨(dú)和離散封裝的，雖然這是一種完全有效的方法，但它不一定能提供緊湊或功率密度的設(shè)計(jì)。另一種方法是使用預(yù)配置的模塊來形成牽引逆變器所需的半橋。
    電源模塊提供高電流密度、強(qiáng)大的短路保護(hù)以及 800V 電池應(yīng)用所需的更高阻斷電壓。在這里，IGBT 有助于集成電流和溫度傳感器，為過流和過溫保護(hù)等保護(hù)功能提供更快的反應(yīng)時(shí)間。