車用逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化 助力電動(dòng)汽車普及

汽車行業(yè)掀起了一場(chǎng)技術(shù)變革：電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 正大規(guī)模地投產(chǎn)，進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)作。這意味著采用新型結(jié)構(gòu)的汽車正在大量推出。從電子系統(tǒng)的角度來(lái)看，迄今為止用于電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 的技術(shù)主要源自在過(guò)去數(shù)十年間最初是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的各種解決方案。由于汽車行業(yè)在商業(yè)上和技術(shù)上都有不同于工業(yè)系統(tǒng)的特定要求，因此需要開(kāi)發(fā)專用的解決方案。

考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)，特別是逆變器，xEV 的廠商將要應(yīng)對(duì)三大挑戰(zhàn)：提高能效、降低成本以及最終滿足功能性安全要求。ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的引入推動(dòng)了對(duì)智能型、高性價(jià)比電子解決方案的需求。

逆變器電子結(jié)構(gòu)

圖 1 代表了與永磁同步電機(jī) (PMSM) 一起用于汽車的牽引逆變器的典型結(jié)構(gòu)。它由三個(gè)主要部分構(gòu)成：

• 低壓 (LV) 側(cè)的主要邏輯電路

• 驅(qū)動(dòng)單元

• 與直流鏈接相連的 IGBT 功率模塊。

驅(qū)動(dòng)單元通常由單個(gè) PCB 構(gòu)成，PCB 的連接應(yīng)盡可能靠近功率模塊以最大程度降低 IGBT 柵極信號(hào)通路中的寄生元件的數(shù)量。

每個(gè) IGBT 均由柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器的主要功能為 ：

• 提供低壓和高壓之間的電絕緣功能。一流的解決方案有賴于感應(yīng)式、電容式隔離或光學(xué)隔離。

• 驅(qū)動(dòng) IGBT 柵極以使系統(tǒng)達(dá)到最高效率。這意味著器件應(yīng)能夠提供足夠大的電流對(duì)柵極進(jìn)行快速充電和放電。為達(dá)到這一目的，經(jīng)常在驅(qū)動(dòng)器和 IGBT 之間設(shè)置后驅(qū)動(dòng)單元(或升壓?jiǎn)卧?。

• 提供基本的保護(hù)功能，如欠壓鎖定 (UVLO) 功能或去飽和保護(hù) (DESAT) 功能。

除了上述這些功能，還對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器提出了其他要求以達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。其中一個(gè)主要安全要求規(guī)定在出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)應(yīng)可以防止或限制電機(jī)在車輪產(chǎn)生多余的力矩，這樣不會(huì)出現(xiàn)司機(jī)無(wú)法控制車輛的情況。對(duì)于非同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，此類策略(相對(duì))易于部署，這是由于系統(tǒng)的安全狀態(tài)是通過(guò)打開(kāi)所有開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn);IGBT 是常態(tài)下處于關(guān)斷狀態(tài)的器件，因此安全狀態(tài)是逆變器的默認(rèn)狀態(tài)。

對(duì)于永磁同步電機(jī) (PMSM)來(lái)說(shuō)，由于在高轉(zhuǎn)速 (RPM) 下，磁激勵(lì)可能導(dǎo)致過(guò)壓，因此情況更為復(fù)雜。這會(huì)導(dǎo)致逆變器組件受到破壞。 例如基于機(jī)械子系統(tǒng)或斬波器的解決方案，數(shù)種方法在工業(yè)系統(tǒng)中通過(guò)應(yīng)用證明其可行性，從而限制低于逆變器額定值的過(guò)壓情況。但是，這些支持系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生額外成本，導(dǎo)致這一解決方案對(duì)于車用逆變器而言缺乏實(shí)際可用性。

抗故障主動(dòng)短路 (ASC) 策略的部署可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全目標(biāo)。該策略確保在每個(gè)單獨(dú)的故障情況下，逆變器通過(guò)短接電機(jī)相線可產(chǎn)生 0 矢量(或稱為主動(dòng)短路)。

在這種狀態(tài)下產(chǎn)生的普通制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不會(huì)導(dǎo)致司機(jī)無(wú)法控制車輛。

為了具有抗故障的魯棒性，支持主動(dòng)短路 (ASC) 的結(jié)構(gòu)有賴于：

• 冗余電源系統(tǒng)(通常由直流鏈接提供)，該系統(tǒng)確保驅(qū)動(dòng)板的某些關(guān)鍵功能始終啟用從而使 IGBT 保持在打開(kāi)的狀態(tài)。

• 監(jiān)控 IGBT 的狀態(tài)以實(shí)時(shí)檢查從主邏輯電路到 IGBT 自身的 PWM 命令是否具有一致性。

• 在應(yīng)用生命周期中提高系統(tǒng)的可測(cè)試性，以跟蹤系統(tǒng)的潛在故障。

分開(kāi)實(shí)施此類措施不僅會(huì)顯著增加材料清單成本，而且還會(huì)增加驅(qū)動(dòng)板 PCB 的尺寸，這在滿足汽車內(nèi)部的空間局限要求上會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

數(shù)字驅(qū)動(dòng)器：必要措施

為優(yōu)化逆變器結(jié)構(gòu)，應(yīng)實(shí)施兩種主要方案：

• 功能集成：每個(gè)新一代硅技術(shù)都可提升集成級(jí)別，意味著分立式功能可以在 ASSP 內(nèi)集成。在許多汽車系統(tǒng)中均可發(fā)現(xiàn)相關(guān)的連續(xù)集成措施，特別是在傳統(tǒng)的 ECU 上。

• 功能疊加：ASC 策略的實(shí)施依靠超越電隔離障礙傳輸一系列的信號(hào)。由于柵極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)內(nèi)置了電隔離功能，因此是在電隔離通信通道中對(duì)多個(gè)功能進(jìn)行疊加的理想選擇。

為實(shí)現(xiàn)功能集成與功能疊加，柵極驅(qū)動(dòng)器必須數(shù)字化，至少部分?jǐn)?shù)字化。這個(gè)措施可以通過(guò)向柵極驅(qū)動(dòng)器添加數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。至低壓主要邏輯電路的通信鏈接將用于在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)器件進(jìn)行配置，提供每一驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行期間的狀態(tài)信息以及觸發(fā)侵入式系統(tǒng)檢測(cè)。應(yīng)注意，通信鏈接并不一定要直接控制 IGBT 的開(kāi)關(guān)行為，但可以視為

常規(guī) PWM 命令的并行通道。鑒于此，標(biāo)準(zhǔn)中速通信接口，如串聯(lián)外圍設(shè)備接口 (SPI)，會(huì)是不錯(cuò)的選擇。

三種層級(jí)的診斷功能可采用上述方式集成：

• 柵極驅(qū)動(dòng)器層級(jí)：監(jiān)視振蕩器、電源、內(nèi)部數(shù)據(jù)完整性等。

• 故障注入層級(jí)：注入假設(shè)的故障(如虛擬的 DESAT 事件)，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能對(duì)此類事件做出正確反應(yīng)。

• 信號(hào)一致性檢驗(yàn)層級(jí)：通過(guò) SPI 讀取柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送和接收到的信號(hào)級(jí)別。

圖3 顯示了經(jīng)優(yōu)化的逆變器結(jié)構(gòu)。

一些分立式安全功能已分布于系統(tǒng)的各個(gè)不同組件上。在驅(qū)動(dòng)器中集成了先進(jìn)的 IGBT 狀態(tài)監(jiān)視器和柵極監(jiān)視器。這樣在逆變器工作過(guò)程中可以對(duì) IGBT 狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如，通過(guò)擴(kuò)展大家熟悉的去飽和保護(hù)功能，可以對(duì) IGBT 進(jìn)行監(jiān)視。

通常 DESAT 保護(hù)功能在打開(kāi)狀態(tài)下會(huì)對(duì) IGBT 的 Vce 電壓進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)超過(guò)電壓閾值(通常是 9V)時(shí),在檢測(cè)到短路狀況時(shí)，IGBT 會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。DESAT 的擴(kuò)展功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì) Vce 電壓的持續(xù)監(jiān)控。比較器的結(jié)果被持續(xù)送往低壓側(cè)，信息以數(shù)字信號(hào)的形式提供給低壓邏輯電路。智能型低壓邏輯電路接下來(lái)可以

將 IGBT 狀態(tài)與初始的 PWM 命令進(jìn)行比較。需要使用延遲功能與過(guò)濾器以補(bǔ)償超越電隔離障礙時(shí)的 IGBT 開(kāi)關(guān)時(shí)間和傳播時(shí)間。

在柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)集成數(shù)字通信通道與柵極監(jiān)視器的優(yōu)點(diǎn)[!--empirenews.page--]

將在以下章節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。

安全通道部署

本節(jié)提供的安全通道部署示例用于應(yīng)對(duì)“低壓電源缺失”的故障情況。此通道部署采用英飛凌新型柵極驅(qū)動(dòng)器 EiceDRIVER™SIL 與后驅(qū)動(dòng)單元 EiceDRIVER™Boost (圖 4)

高壓邏輯塊接收來(lái)自低壓側(cè)的控制信號(hào)，該信號(hào)起著發(fā)布進(jìn)入 ASC 模式命令的作用。該控制信號(hào)可通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器數(shù)字通道 (DIO1 / DIO2) 越過(guò)電隔離障礙進(jìn)行傳輸。數(shù)字通道的低延時(shí)(通常是 2µs)可確保系統(tǒng)快速反應(yīng)。 在正常工作期間通過(guò)數(shù)字通道傳輸?shù)倪壿嬓盘?hào)電平應(yīng)是非默認(rèn)電平，通常是高電平。低壓電源一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，監(jiān)視 EiceDRIVER™SIL 5V 電源的欠壓鎖定 (UVLO) 功能

將禁用 DIO2 信號(hào)。

在完成對(duì) DIO2 信號(hào)的評(píng)估之后，高壓邏輯電路將判定為 ASC 信號(hào)。該信號(hào)與升壓器的專用輸出端相連后將直接開(kāi)啟 IGBT，不論柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的是何種 PWM 命令。為防止柵極驅(qū)動(dòng)器(在低壓電源缺失情況下柵極驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)會(huì)試圖關(guān)斷 IGBT)與開(kāi)啟 IGBT 的升壓器之間流經(jīng)高交叉電流，ASC 信號(hào)被連接至柵極驅(qū)動(dòng)器的 OSD 輸出引腳。OSD 引腳捕捉到的主動(dòng)電平使輸出單元(即柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出端 OUT)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)(三態(tài))。

由直流鏈接提供的緊急電源確保在 ASC 臨界條件下(即在高直流鏈接電壓、電機(jī)高轉(zhuǎn)速下)高壓邏輯電路、高壓[Lw1]部分低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和升壓器始終得到有效 15V (VCC2) 電源的供電。但是，主動(dòng) ASC 模式應(yīng)僅在直流鏈接可提供有效 15V 電源的情況下由系統(tǒng)啟用。否則一旦 VCC2 開(kāi)始出現(xiàn)低于臨界電壓的情況，IGBT 將以線性模式工作，這可能造成器件較大損耗并最終可能因過(guò)熱導(dǎo)致器件損壞。

為避免這種情況，柵極驅(qū)動(dòng)器的 NUV2 信號(hào)在內(nèi)部由 UVLO2 功能直接控制。NUV2 的工作原理類似于開(kāi)漏信號(hào)。當(dāng)有效的15V 電源電壓施加在柵極驅(qū)動(dòng)器上時(shí)， NUV2 呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。但是，當(dāng)施加無(wú)效電源時(shí)，ASC 信號(hào)會(huì)被主動(dòng)地驅(qū)往低層級(jí)。在并聯(lián)狀態(tài)下，將檢測(cè)到 OSD 引腳，柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出單元將退出三態(tài)模式。這樣可確保 IGBT 快速關(guān)斷。

最后，應(yīng)在應(yīng)用生命周期中(例如，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí))定期對(duì)安全通道的正常使用進(jìn)行檢測(cè)。為此柵極驅(qū)動(dòng)器的柵極監(jiān)視器功能包含了一組比較器，比較器的狀態(tài)可由 SPI 接口讀取。接下來(lái)可以激活 ASC 信號(hào)進(jìn)行檢驗(yàn)并檢查柵極電壓是否達(dá)到了正確的閾值。

結(jié)論與概覽

多年來(lái)汽車電子系統(tǒng)的總體趨勢(shì)始終是日益集成化：微控制器的計(jì)算性能大幅提高導(dǎo)致硬件功能不斷被軟件取代;類似地，數(shù)字化也推動(dòng)了功能集成度不斷提高，提升了診斷功能。數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的推出提供一系列新的可能性，可以通過(guò)有效方式達(dá)到未來(lái)逆變器系統(tǒng)的安全目標(biāo)。

首先，在柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成主要以分立形式發(fā)揮作用的各種監(jiān)控功能，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。其次，通過(guò)利用新式微控制器設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。例如，作為微控制器中的 HW 擴(kuò)展型外圍設(shè)備的智能型 IO 監(jiān)視器單元可將 IGBT 監(jiān)視器發(fā)出的信號(hào)模式與初始的 PWM 命令(在內(nèi)部以冗余方式產(chǎn)生)進(jìn)行比較。這樣低電壓 (5V) 邏輯可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)靈活地判斷是在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)還是在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)施加 0 矢量。將各種功能分布在微控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器可移除在目前標(biāo)準(zhǔn)逆變器中使用的擴(kuò)展型組件，如 FPGA 與 PLD。