車(chē)載逆變器-車(chē)載逆變器設計方案和結構優(yōu)化技術(shù)方案詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-05-17
隨著(zhù)油電混合車(chē)和電動(dòng)車(chē)技術(shù)的演進(jìn)，逆變器驅動(dòng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，從空調機和加熱系統等低功率應用，一直到驅動(dòng)和再生制動(dòng)系統等高功率應用，所有這些系統的共通點(diǎn)是需要通過(guò)保護逆變器設計中的功率開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)最大限度地提高工作壽命。
汽車(chē)系統中的逆變器為電動(dòng)機控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉換成為交流高電壓，其中使用功率開(kāi)關(guān)來(lái)調節能量的遞送，請參考圖1。通過(guò)微控制器送出開(kāi)關(guān)信號，并利用隔離門(mén)驅動(dòng)器作為低電壓微控制器和高電壓功率開(kāi)關(guān)間的接口。
許多新形態(tài)的功率開(kāi)關(guān)，如碳化硅，都被評估是否可以使用于汽車(chē)逆變器中，但目前最具競爭力的還是IGBT。長(cháng)久以來(lái)，這些功率晶體管已經(jīng)被廣泛應用于高電壓和高功率的處理上，但在發(fā)展過(guò)程中卻存在缺點(diǎn)，為了把IGBT中的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產(chǎn)品尋求降低開(kāi)關(guān)和傳導損耗，不過(guò)，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。
圖1 汽車(chē)系統中的逆變器使用功率開(kāi)關(guān)IGBT器件控制電動(dòng)機電源，但這些器件必須加以保護以確保長(cháng)時(shí)間的工作壽命。
降低IGBT傳導損耗通常會(huì )引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時(shí)間，許多逆變器的內部或外部錯誤情況會(huì )造成逆變器中一或多個(gè)IGBT短路或類(lèi)似短路的過(guò)載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過(guò)沖，以及IGBT低驅動(dòng)電壓。由于IGBT會(huì )因這些錯誤而受到損壞，因此對于逆變器設計，快速并且可靠的IGBT短路檢測和保護就變得非常重要。
但并非所有這些錯誤都可以使用相位電流傳感器進(jìn)行檢測，一個(gè)比較好的替代做法是分別獨立檢測每個(gè)IGBT的負載電流大小。檢測負載電流大小有幾個(gè)方法，如使用分流電阻或射極分離的IGBT，可以產(chǎn)生正比于IGBT負載電流的電壓信號，當信號超過(guò)設定的閥值大小時(shí)就會(huì )觸發(fā)保護機制。不過(guò)IGBT的最大可容忍電流會(huì )依采用的工藝、工作溫度以及門(mén)電壓而定，因此在設定負載電流觸發(fā)閥值時(shí)必須非常保守，以便限制IGBT的工作范圍。
第三種做法是通過(guò)監視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來(lái)檢測IGBT脫離飽和狀態(tài)的時(shí)間，在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低，當發(fā)生輸出短路或低門(mén)極驅動(dòng)情況時(shí)，IGBT會(huì )進(jìn)入線(xiàn)性模式并且VCE上升，造成功率損耗過(guò)大引發(fā)器件失效，檢測這個(gè)去飽和(DESAT)情況可以達到和監視輸出電流相同的錯誤檢測結果，但卻有監視IGBT真實(shí)工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)IGBT更高功率的使用。
圖2 集成了錯誤檢測和軟關(guān)斷，Avago的ACPL-38JT IGBT門(mén)驅動(dòng)光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開(kāi)關(guān)的錯誤情況和檢測錯誤同等重要的是，逆變器本身設計的錯誤分辨能力，當檢測到錯誤情況時(shí)，極可能有較大的電流經(jīng)過(guò)，如果IGBT關(guān)斷過(guò)于快速，那么快速的電流變化(di/dt)以及無(wú)可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過(guò)IGBT的最高電壓容忍大小，帶來(lái)IGBT的損壞并破壞過(guò)電流保護機制。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)實(shí)現IGBT的軟關(guān)斷來(lái)減輕，利用延長(cháng)錯誤發(fā)生時(shí)的門(mén)極放電時(shí)間降低電壓的變化速度。
錯誤分辨能力也有著(zhù)系統的考量，自動(dòng)錯誤檢測可以配置為同時(shí)關(guān)斷所有其他門(mén)驅動(dòng)來(lái)實(shí)現，另一方面，錯誤檢測也可設計為每個(gè)IGBT獨立進(jìn)行錯誤檢測和關(guān)斷，允許通常較為適合汽車(chē)牽引應用的和緩錯誤處理和關(guān)斷策略。自動(dòng)錯誤檢測也可以包含提供信號給負責管理汽車(chē)動(dòng)力系統的微控制器，帶來(lái)額外的響應選擇。
在汽車(chē)系統中實(shí)現這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車(chē)應用對于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費類(lèi)和工業(yè)應用高上許多，因此強固性非常重要，進(jìn)一步說(shuō)，在更加惡劣的環(huán)境，包括極廣的工作溫度條件以及高幅射和感應電磁噪聲下則必須具備更高的可靠性。
高度集成方案，如圖2中Avago的ACPL-38JT門(mén)驅動(dòng)光電耦合器通過(guò)集成去飽合檢測和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路，以及隔離的錯誤信號和軟關(guān)斷等多個(gè)功能到IGBT門(mén)驅動(dòng)器中滿(mǎn)足了所有這些需求。Avago的光隔離功能包括環(huán)繞光接收器的透明法拉第屏蔽協(xié)助降低電磁噪聲耦合，并使用特別設計的LED確保高溫條件下的更長(cháng)工作壽命，內置的保護電路可以節省數個(gè)分立器件而降低成本，并通過(guò)解決所有錯誤情況，包括可能破壞功率開(kāi)關(guān)晶體管的低門(mén)驅動(dòng)電壓提高系統的可靠性。
在門(mén)驅動(dòng)和IGBT保護電路上使用單一集成器件也可以通過(guò)消除分立器件失效點(diǎn)協(xié)助提高系統的可靠性，另外，集成器件也可借由完整和通過(guò)預先測試的設計而有助于縮短設計和通過(guò)監管審查時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽車(chē)準則進(jìn)行生產(chǎn)和測試，工作溫度范圍達到- 40℃到125℃。
隨著(zhù)高功率電氣系統在汽車(chē)設計中的角色越來(lái)越加重要，錯誤保護成為確保長(cháng)時(shí)間工作壽命的必備條件，在逆變器設計中的功率開(kāi)關(guān)使用同時(shí)提供有檢測和響應機制的集成方案，可以通過(guò)緊湊、低成本并且高可靠性的方式滿(mǎn)足這個(gè)需求。
汽車(chē)行業(yè)掀起了一場(chǎng)技術(shù)變革：電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)正大規模地投產(chǎn)，進(jìn)入商業(yè)化運作。這意味著(zhù)采用新型結構的汽車(chē)正在大量推出。從電子系統的角度來(lái)看，迄今為止用于電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的技術(shù)主要源自在過(guò)去數十年間最初是針對工業(yè)應用而開(kāi)發(fā)的各種解決方案。由于汽車(chē)行業(yè)在商業(yè)上和技術(shù)上都有不同于工業(yè)系統的特定要求，因此需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的解決方案。
考慮到傳動(dòng)系統，特別是逆變器，xEV的廠(chǎng)商將要應對三大挑戰：提高能效、降低成本以及最終滿(mǎn)足功能性安全要求。ISO26262標準的引入推動(dòng)了對智能型、高性?xún)r(jià)比電子解決方案的需求。
圖1代表了與永磁同步電機(PMSM)一起用于汽車(chē)的牽引逆變器的典型結構。它由三個(gè)主要部分構成：
低壓(LV)側的主要邏輯電路
與直流鏈接相連的IGBT功率模塊。
驅動(dòng)單元通常由單個(gè)PCB構成，PCB的連接應盡可能靠近功率模塊以最大程度降低IGBT柵極信號通路中的寄生元件的數量。
每個(gè)IGBT均由柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)，該驅動(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(lài)于感應式、電容式隔離或光學(xué)隔離。
驅動(dòng)IGBT柵極以使系統達到最高效率。這意味著(zhù)器件應能夠提供足夠大的電流對柵極進(jìn)行快速充電和放電。為達到這一目的，經(jīng)常在驅動(dòng)器和IGBT之間設置后驅動(dòng)單元（或升壓?jiǎn)卧?/span>
提供基本的保護功能，如欠壓鎖定(UVLO)功能或去飽和保護(DESAT)功能。
除了上述這些功能，還對柵極驅動(dòng)器提出了其他要求以達到安全標準。其中一個(gè)主要安全要求規定在出現故障時(shí)系統應可以防止或限制電機在車(chē)輪產(chǎn)生多余的力矩，這樣不會(huì )出現司機無(wú)法控制車(chē)輛的情況。對于非同步電機來(lái)說(shuō)，此類(lèi)策略（相對）易于部署，這是由于系統的安全狀態(tài)是通過(guò)打開(kāi)所有開(kāi)關(guān)實(shí)現；IGBT是常態(tài)下處于關(guān)斷狀態(tài)的器件，因此安全狀態(tài)是逆變器的默認狀態(tài)。
對于永磁同步電機(PMSM)來(lái)說(shuō)，由于在高轉速(RPM)下，磁激勵可能導致過(guò)壓，因此情況更為復雜。這會(huì )導致逆變器組件受到破壞。例如基于機械子系統或斬波器的解決方案，數種方法在工業(yè)系統中通過(guò)應用證明其可行性，從而限制低于逆變器額定值的過(guò)壓情況。但是，這些支持系統會(huì )產(chǎn)生額外成本，導致這一解決方案對于車(chē)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)現系統的安全目標。該策略確保在每個(gè)單獨的故障情況下，逆變器通過(guò)短接電機相線(xiàn)可產(chǎn)生0矢量（或稱(chēng)為主動(dòng)短路）。
在這種狀態(tài)下產(chǎn)生的普通制動(dòng)轉矩不會(huì )導致司機無(wú)法控制車(chē)輛。
為了具有抗故障的魯棒性，支持主動(dòng)短路(ASC)的結構有賴(lài)于：
冗余電源系統（通常由直流鏈接提供），該系統確保驅動(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。
在應用生命周期中提高系統的可測試性，以跟蹤系統的潛在故障。
分開(kāi)實(shí)施此類(lèi)措施不僅會(huì )顯著(zhù)增加材料清單成本，而且還會(huì )增加驅動(dòng)板PCB的尺寸，這在滿(mǎn)足汽車(chē)內部的空間局限要求上會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。
數字驅動(dòng)器：必要措施
功能集成：每個(gè)新一代硅技術(shù)都可提升集成級別，意味著(zhù)分立式功能可以在A(yíng)SSP內集成。在許多汽車(chē)系統中均可發(fā)現相關(guān)的連續集成措施，特別是在傳統的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。由于柵極驅動(dòng)器已經(jīng)內置了電隔離功能，因此是在電隔離通信通道中對多個(gè)功能進(jìn)行疊加的理想選擇。
為實(shí)現功能集成與功能疊加，柵極驅動(dòng)器必須數字化，至少部分數字化。這個(gè)措施可以通過(guò)向柵極驅動(dòng)器添加數字接口實(shí)現。至低壓主要邏輯電路的通信鏈接將用于在系統啟動(dòng)時(shí)對器件進(jìn)行配置，提供每一驅動(dòng)器在運行期間的狀態(tài)信息以及觸發(fā)侵入式系統檢測。應注意，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PWM命令的并行通道。鑒于此，標準中速通信接口，如串聯(lián)外圍設備接口(SPI)，會(huì )是不錯的選擇。
三種層級的診斷功能可采用上述方式集成：
柵極驅動(dòng)器層級：監視振蕩器、電源、內部數據完整性等。
故障注入層級：注入假設的故障（如虛擬的DESAT事件），檢驗系統是否能對此類(lèi)事件做出正確反應。
信號一致性檢驗層級：通過(guò)SPI讀取柵極驅動(dòng)器發(fā)送和接收到的信號級別。
圖3顯示了經(jīng)優(yōu)化的逆變器結構。
一些分立式安全功能已分布于系統的各個(gè)不同組件上。在驅動(dòng)器中集成了先進(jìn)的IGBT狀態(tài)監視器和柵極監視器。這樣在逆變器工作過(guò)程中可以對IGBT狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。例如，通過(guò)擴展大家熟悉的去飽和保護功能，可以對IGBT進(jìn)行監視。
通常DESAT保護功能在打開(kāi)狀態(tài)下會(huì )對IGBT的Vce電壓進(jìn)行監視。當超過(guò)電壓閾值（通常是9V）時(shí),在檢測到短路狀況時(shí)，IGBT會(huì )自動(dòng)關(guān)斷。DESAT的擴展功能可以實(shí)現對Vce電壓的持續監控。比較器的結果被持續送往低壓側，信息以數字信號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。
在柵極驅動(dòng)器內集成數字通信通道與柵極監視器的優(yōu)點(diǎn)將在以下章節中進(jìn)行說(shuō)明。
本節提供的安全通道部署示例用于應對“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動(dòng)器EiceDRIVER?SIL與后驅動(dòng)單元EiceDRIVER?Boost（圖4）
高壓邏輯塊接收來(lái)自低壓側的控制信號，該信號起著(zhù)發(fā)布進(jìn)入ASC模式命令的作用。該控制信號可通過(guò)柵極驅動(dòng)器數字通道(DIO1/DIO2)越過(guò)電隔離障礙進(jìn)行傳輸。數字通道的低延時(shí)（通常是2μs）可確保系統快速反應。在正常工作期間通過(guò)數字通道傳輸的邏輯信號電平應是非默認電平，通常是高電平。低壓電源一旦出現錯誤，監視EiceDRIVER?SIL5V電源的欠壓鎖定(UVLO)功能將禁用DIO2信號。
在完成對DIO2信號的評估之后，高壓邏輯電路將判定為ASC信號。該信號與升壓器的專(zhuān)用輸出端相連后將直接開(kāi)啟IGBT，不論柵極驅動(dòng)器發(fā)送的是何種PWM命令。為防止柵極驅動(dòng)器（在低壓電源缺失情況下柵極驅動(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信號被連接至柵極驅動(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（即柵極驅動(dòng)器的輸出端OUT）處于高阻抗狀態(tài)（三態(tài)）。
由直流鏈接提供的緊急電源確保在A(yíng)SC臨界條件下（即在高直流鏈接電壓、電機高轉速下）高壓邏輯電路、高壓[Lw1]部分低壓側驅動(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模式應僅在直流鏈接可提供有效15V電源的情況下由系統啟用。否則一旦VCC2開(kāi)始出現低于臨界電壓的情況，IGBT將以線(xiàn)性模式工作，這可能造成器件較大損耗并最終可能因過(guò)熱導致器件損壞。
為避免這種情況，柵極驅動(dòng)器的NUV2信號在內部由UVLO2功能直接控制。NUV2的工作原理類(lèi)似于開(kāi)漏信號。當有效的15V電源電壓施加在柵極驅動(dòng)器上時(shí)，NUV2呈現高電阻狀態(tài)。但是，當施加無(wú)效電源時(shí)，ASC信號會(huì )被主動(dòng)地驅往低層級。在并聯(lián)狀態(tài)下，將檢測到OSD引腳，柵極驅動(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，應在應用生命周期中（例如，在系統啟動(dòng)時(shí)）定期對安全通道的正常使用進(jìn)行檢測。為此柵極驅動(dòng)器的柵極監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信號進(jìn)行檢驗并檢查柵極電壓是否達到了正確的閾值。
多年來(lái)汽車(chē)電子系統的總體趨勢始終是日益集成化：微控制器的計算性能大幅提高導致硬件功能不斷被軟件取代；類(lèi)似地，數字化也推動(dòng)了功能集成度不斷提高，提升了診斷功能。數字柵極驅動(dòng)器的推出提供一系列新的可能性，可以通過(guò)有效方式達到未來(lái)逆變器系統的安全目標。
首先，在柵極驅動(dòng)器內部集成主要以分立形式發(fā)揮作用的各種監控功能，可實(shí)現系統優(yōu)化。其次，通過(guò)利用新式微控制器設計可以實(shí)現系統進(jìn)一步優(yōu)化。例如，作為微控制器中的HW擴展型外圍設備的智能型IO監視器單元可將IGBT監視器發(fā)出的信號模式與初始的PWM命令（在內部以冗余方式產(chǎn)生）進(jìn)行比較。這樣低電壓(5V)邏輯可以在系統出現故障時(shí)靈活地判斷是在低壓側開(kāi)關(guān)還是在高壓側開(kāi)關(guān)施加0矢量。將各種功能分布在微控制器和柵極驅動(dòng)器可移除在目前標準逆變器中使用的擴展型組件，如FPGA與PLD。
聯(lián)系方式：鄒先生（mos管廠(chǎng)家）
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
