Una nuova funzionalità introdotta con il gate driver UCC5880-Q1 di Texas Instruments consente di migliorare l’efficienza e le prestazioni degli inverter di trazione che utilizzano switch di potenza SiC aumentando l’autonomia delle vetture elettriche fino al 2%.
Gli inverter di trazione sono i sistemi attraverso i quali fluisce la maggior quantità di energia nei veicoli elettrici (EV), con livelli di potenza che raggiungono i 150 kW e oltre. L’efficienza e le prestazioni degli inverter di trazione influiscono direttamente sull’autonomia di guida di un veicolo elettrico con una singola carica. Gli inverter più avanzati utilizzano solitamente transistor FET al carburo di silicio (SiC) che garantiscono maggiore affidabilità, efficienza e densità di potenza.
I circuiti integrati gate driver isolati mostrati in Figura 1 forniscono l’isolamento galvanico da bassa ad alta tensione (da ingresso a uscita), pilotano gli stadi di potenza high-side e low-side di ogni fase di un inverter basato su SiC e monitorano e proteggono l’inverter da varie condizioni di guasto. I gate driver devono rispondere ai requisiti di sicurezza funzionale ASIL (Automotive Safety Integrity Level) secondo la norma ISO 26262, garantendo il rilevamento dei guasti singoli nel ≥99% dei casi e latenti nel ≥90% dei casi.
In questo articolo, mi concentrerò sui vantaggi di variare la forza del gate driver in tempo reale, una nuova funzionalità che consente ai progettisti di ottimizzare i parametri di sistema come l’efficienza (che influisce sull’intervallo operativo dei veicoli elettrici) e l’overshoot SiC (che influisce sull’affidabilità.
Maggiore efficienza con la variazione della forza del gate driver in tempo reale
Il gate driver deve attivare i FET SiC nel modo più efficiente possibile, riducendo al minimo le perdite di commutazione e conduzione che includono sia l’energia di accensione che quella di spegnimento. La capacità di controllare e variare l’intensità della corrente di pilotaggio dei gate dei MOSFET di potenza riduce le perdite di commutazione, ma va a scapito dell’aumento dell’overshoot transitorio nel nodo di commutazione durante la commutazione. La forza della corrente di pilotaggio del gate controlla la velocità di commutazione del FET SiC, come mostrato nella Figura 2.
La variazione in tempo reale della corrente di pilotaggio del gate consente la gestione della sovraelongazione transitoria e l’ottimizzazione del progetto durante l’intero ciclo di utilizzo della batteria, in tutte le condizioni di lavoro. Una batteria completamente carica – con uno stato di carica compreso tra il 100% e l’80% – dovrebbe utilizzare la più bassa potenza possibile per mantenere la sovraelongazione della tensione SiC entro limiti ottimali. Quando la carica della batteria scende dall’80% al 20%, l’utilizzo di un’elevata forza di azionamento del gate riduce le perdite di commutazione e aumenta l’efficienza dell’inverter di trazione. Questi scenari sono possibili durante il 75% del ciclo di ricarica, quindi i guadagni di efficienza possono essere piuttosto significativi. La Figura 3 illustra un tipico overshoot transitorio rispetto alla tensione di picco della batteria e allo stato di carica.
L’integrato UCC5880-Q1 di Texas instruments è un gate driver SiC da 20 A con funzioni di protezione avanzate per gli inverter di trazione nelle applicazioni automobilistiche. La sua forza di comando del gate varia da 5 A a 20 A ed è controllato mediante un bus di interfaccia seriale bidirezionale a 4 MHz o mediante tre pin digitali di controllo. La Figura 4 mostra l’implementazione attraverso le uscite dual split che rendono possibile variare la forza del gate-drive.
Valutazione della commutazione dello stadio di potenza con test DPT (double pulse test)
Un modo standard per valutare le prestazioni di commutazione dello stadio di potenza di un inverter di trazione utilizza il doppio impulso di test (DPT), che accende e spegne l’interruttore di SiC con correnti di gate differenti. La variazione dei tempi di commutazione consente di controllare e misurare le forme d’onda di accensione e spegnimento del SiC in tutte le condizioni operative, facilitando così una valutazione dell’efficienza e dell’overshoot del SiC, che influisce sull’affidabilità. La Figura 5 illustra il gate driver a forza variabile UCC5880-Q1 e un semiponte SiC con la configurazione DPT low-side.
I risultati nella Tabella 1 mostrano come un gate driver SiC con uscita a forza variabile consente di controllare l’overshoot massimizzando l’efficienza e ottimizzando le prestazioni termiche. EON e EOFF sono rispettivamente le perdite di energia di commutazione all’accensione e allo spegnimento. VDS,MAX è il superamento massimo della tensione e le tensioni transitorie TOFF e TON (dv/dt) sono le velocità di variazione della tensione di VDS durante l’accensione e lo spegnimento, rispettivamente.
Mitigare l’overshoot
Le forme d’onda nella Figura 6 illustrano l’effetto della forza del gate drive sull’overshoot del SiC, poiché la resistenza del gate drive UCC5880-Q1 e la forza del drive sono controllate in tempo reale. L’abilitazione dell’azionamento del gate inferiore (spegnimento SiC) attenua l’overshoot dello stadio di potenza.
La tabella 2 elenca le misurazioni effettive per il confronto. A seconda degli elementi parassiti del sistema e degli obiettivi per il controllo del rumore, è possibile bilanciare di conseguenza l’overshoot, il dv/dt e le perdite di commutazione.
Estensione dell’autonomia
Quando si utilizza il gate drive dell’UCC5880-Q1 per ridurre le perdite di commutazione SiC, il guadagno di efficienza può essere piuttosto significativo, a seconda del livello di potenza dell’inverter di trazione. Utilizzando i criteri previsti dal WLPT (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) con le velocità e le accelerazioni di un’andatura reale, come mostrato in Figura 7, i guadagni di efficienza dello stadio di potenza SiC possono raggiungere il 2%, corrispondenti a ulteriori 7 miglia di autonomia per batteria. Sette miglia possono fare la differenza tra un automobilista che raggiunge un centralina di ricarica e uno che resta rimane bloccato.
L’UCC5880-Q1 include anche una funzione di monitoraggio della soglia della tensione di gate SiC che esegue misurazioni a ogni accensione dell’EV e può fornire dati sull’interruttore di potenza SiC al microcontrollore per la previsione dei guasti all’interruttore stesso.
Conclusione
Con gli inverter per trazione elettrica che si avvicinano a livelli di potenza di 300 kW, la necessità di maggiore affidabilità e maggiore efficienza è imperativa. La selezione di un gate driver isolato in SiC con la forza del gate drive variabile in tempo reale è utile per raggiungere questi obiettivi. L’UCC5880-Q1 viene fornito con strumenti di supporto alla progettazione, tra cui schede di valutazione, guide per l’utente e un manuale sulla sicurezza funzionale per assistervi con i vostri progetti.
Ulteriori informazioni su questo argomento sono contenute nei documenti “Traction Inverters – A Driving Force Behind Vehicle Electrification” e “Improving Safety in EV Traction Inverter Systems”.
George Lakkas è Product Marketing Engineer at Texas Instruments- Automotive.
