車載逆變器

車載逆變器設(shè)計方案

隨著油電混合車和電動車技術(shù)的演進，逆變器驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)進入汽車領(lǐng)域，從空調(diào)機和加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，一直到驅(qū)動和再生制動系統(tǒng)等高功率應(yīng)用，所有這些系統(tǒng)的共通點是需要通過保護逆變器設(shè)計中的功率開關(guān)晶體管來最大限度地提高工作壽命。

汽車系統(tǒng)中的逆變器為電動機控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉(zhuǎn)換成為交流高電壓，其中使用功率開關(guān)來調(diào)節(jié)能量的遞送，請參考圖1。通過微控制器送出開關(guān)信號，并利用隔離門驅(qū)動器作為低電壓微控制器和高電壓功率開關(guān)間的接口。

許多新形態(tài)的功率開關(guān)，如碳化硅，都被評估是否可以使用于汽車逆變器中，但目前最具競爭力的還是IGBT。長久以來，這些功率晶體管已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高電壓和高功率的處理上，但在發(fā)展過程中卻存在缺點，為了把IGBT中的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產(chǎn)品尋求降低開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，不過，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。

圖1 汽車系統(tǒng)中的逆變器使用功率開關(guān)IGBT器件控制電動機電源，但這些器件必須加以保護以確保長時間的工作壽命。

錯誤保護避免損壞

降低IGBT傳導(dǎo)損耗通常會引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時間，許多逆變器的內(nèi)部或外部錯誤情況會造成逆變器中一或多個IGBT短路或類似短路的過載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過沖，以及IGBT低驅(qū)動電壓。由于IGBT會因這些錯誤而受到損壞，因此對于逆變器設(shè)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行檢測，一個比較好的替代做法是分別獨立檢測每個IGBT的負載電流大小。檢測負載電流大小有幾個方法，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(dāng)信號超過設(shè)定的閥值大小時就會觸發(fā)保護機制。不過IGBT的最大可容忍電流會依采用的工藝、工作溫度以及門電壓而定，因此在設(shè)定負載電流觸發(fā)閥值時必須非常保守，以便限制IGBT的工作范圍。

第三種做法是通過監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來檢測IGBT脫離飽和狀態(tài)的時間，在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低，當(dāng)發(fā)生輸出短路或低門極驅(qū)動情況時，IGBT會進入線性模式并且VCE上升，造成功率損耗過大引發(fā)器件失效，檢測這個去飽和(DESAT)情況可以達到和監(jiān)視輸出電流相同的錯誤檢測結(jié)果，但卻有監(jiān)視IGBT真實工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點，帶來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門驅(qū)動光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開關(guān)的錯誤情況和檢測錯誤同等重要的是，逆變器本身設(shè)計的錯誤分辨能力，當(dāng)檢測到錯誤情況時，極可能有較大的電流經(jīng)過，如果IGBT關(guān)斷過于快速，那么快速的電流變化(di/dt)以及無可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過IGBT的最高電壓容忍大小，帶來IGBT的損壞并破壞過電流保護機制。這個問題可以通過實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷來減輕，利用延長錯誤發(fā)生時的門極放電時間降低電壓的變化速度。

錯誤分辨能力也有著系統(tǒng)的考量，自動錯誤檢測可以配置為同時關(guān)斷所有其他門驅(qū)動來實現(xiàn)，另一方面，錯誤檢測也可設(shè)計為每個IGBT獨立進行錯誤檢測和關(guān)斷，允許通常較為適合汽車牽引應(yīng)用的和緩錯誤處理和關(guān)斷策略。自動錯誤檢測也可以包含提供信號給負責(zé)管理汽車動力系統(tǒng)的微控制器，帶來額外的響應(yīng)選擇。

可靠性是基本要求

在汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個關(guān)鍵點，包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車應(yīng)用對于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費類和工業(yè)應(yīng)用高上許多，因此強固性非常重要，進一步說，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(yīng)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門驅(qū)動光電耦合器通過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)斷等多個功能到IGBT門驅(qū)動器中滿足了所有這些需求。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(shè)計的LED確保高溫條件下的更長工作壽命，內(nèi)置的保護電路可以節(jié)省數(shù)個分立器件而降低成本，并通過解決所有錯誤情況，包括可能破壞功率開關(guān)晶體管的低門驅(qū)動電壓提高系統(tǒng)的可靠性。

在門驅(qū)動和IGBT保護電路上使用單一集成器件也可以通過消除分立器件失效點協(xié)助提高系統(tǒng)的可靠性，另外，集成器件也可借由完整和通過預(yù)先測試的設(shè)計而有助于縮短設(shè)計和通過監(jiān)管審查時間。舉例來說，ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽車準(zhǔn)則進行生產(chǎn)和測試，工作溫度范圍達到- 40℃到125℃。

隨著高功率電氣系統(tǒng)在汽車設(shè)計中的角色越來越加重要，錯誤保護成為確保長時間工作壽命的必備條件，在逆變器設(shè)計中的功率開關(guān)使用同時提供有檢測和響應(yīng)機制的集成方案，可以通過緊湊、低成本并且高可靠性的方式滿足這個需求。

車載逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車行業(yè)掀起了一場技術(shù)變革：電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)正大規(guī)模地投產(chǎn)，進入商業(yè)化運作。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)的角度來看，迄今為止用于電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)的技術(shù)主要源自在過去數(shù)十年間最初是針對工業(yè)應(yīng)用而開發(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，因此需要開發(fā)專用的解決方案。

考慮到傳動系統(tǒng)，特別是逆變器，xEV的廠商將要應(yīng)對三大挑戰(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)的引入推動了對智能型、高性價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(PMSM)一起用于汽車的牽引逆變器的典型結(jié)構(gòu)。它由三個主要部分構(gòu)成：

低壓(LV)側(cè)的主要邏輯電路

驅(qū)動單元

與直流鏈接相連的IGBT功率模塊。

驅(qū)動單元通常由單個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柵極信號通路中的寄生元件的數(shù)量。

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

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IGBT柵極以使系統(tǒng)達到最高效率。這意味著器件應(yīng)能夠提供足夠大的電流對柵極進行快速充電和放電。為達到這一目的，經(jīng)常在驅(qū)動器和IGBT之間設(shè)置后驅(qū)動單元（或升壓單元）。

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(qū)動器提出了其他要求以達到安全標(biāo)準(zhǔn)。其中一個主要安全要求規(guī)定在出現(xiàn)故障時系統(tǒng)應(yīng)可以防止或限制電機在車輪產(chǎn)生多余的力矩，這樣不會出現(xiàn)司機無法控制車輛的情況。對于非同步電機來說，此類策略（相對）易于部署，這是由于系統(tǒng)的安全狀態(tài)是通過打開所有開關(guān)實現(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)是逆變器的默認狀態(tài)。

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

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

在這種狀態(tài)下產(chǎn)生的普通制動轉(zhuǎn)矩不會導(dǎo)致司機無法控制車輛。

為了具有抗故障的魯棒性，支持主動短路(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)動板的某些關(guān)鍵功能始終啟用從而使IGBT保持在打開的狀態(tài)。

監(jiān)控IGBT的狀態(tài)以實時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)的可測試性，以跟蹤系統(tǒng)的潛在故障。

分開實施此類措施不僅會顯著增加材料清單成本，而且還會增加驅(qū)動板PCB的尺寸，這在滿足汽車內(nèi)部的空間局限要求上會產(chǎn)生問題。

數(shù)字驅(qū)動器：必要措施

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

功能集成：每個新一代硅技術(shù)都可提升集成級別，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策略的實施依靠超越電隔離障礙傳輸一系列的信號。由于柵極驅(qū)動器已經(jīng)內(nèi)置了電隔離功能，因此是在電隔離通信通道中對多個功能進行疊加的理想選擇。

為實現(xiàn)功能集成與功能疊加，柵極驅(qū)動器必須數(shù)字化，至少部分數(shù)字化。這個措施可以通過向柵極驅(qū)動器添加數(shù)字接口實現(xiàn)。至低壓主要邏輯電路的通信鏈接將用于在系統(tǒng)啟動時對器件進行配置，提供每一驅(qū)動器在運行期間的狀態(tài)信息以及觸發(fā)侵入式系統(tǒng)檢測。應(yīng)注意，通信鏈接并不一定要直接控制IGBT的開關(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(qū)動器層級：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：注入假設(shè)的故障（如虛擬的DESAT事件），檢驗系統(tǒng)是否能對此類事件做出正確反應(yīng)。

信號一致性檢驗層級：通過SPI讀取柵極驅(qū)動器發(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(jié)構(gòu)。

一些分立式安全功能已分布于系統(tǒng)的各個不同組件上。在驅(qū)動器中集成了先進的IGBT狀態(tài)監(jiān)視器和柵極監(jiān)視器。這樣在逆變器工作過程中可以對IGBT狀態(tài)進行實時監(jiān)控。例如，通過擴展大家熟悉的去飽和保護功能，可以對IGBT進行監(jiān)視。

通常DESAT保護功能在打開狀態(tài)下會對IGBT的Vce電壓進行監(jiān)視。當(dāng)超過電壓閾值（通常是9V）時,在檢測到短路狀況時，IGBT會自動關(guān)斷。DESAT的擴展功能可以實現(xiàn)對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)字信號的形式提供給低壓邏輯電路。智能型低壓邏輯電路接下來可以將IGBT狀態(tài)與初始的PWM命令進行比較。需要使用延遲功能與過濾器以補償超越電隔離障礙時的IGBT開關(guān)時間和傳播時間。

在柵極驅(qū)動器內(nèi)集成數(shù)字通信通道與柵極監(jiān)視器的優(yōu)點將在以下章節(jié)中進行說明。

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“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)動器EiceDRIVER?SIL與后驅(qū)動單元EiceDRIVER?Boost（圖4）

高壓邏輯塊接收來自低壓側(cè)的控制信號，該信號起著發(fā)布進入ASC模式命令的作用。該控制信號可通過柵極驅(qū)動器數(shù)字通道(DIO1/DIO2)越過電隔離障礙進行傳輸。數(shù)字通道的低延時（通常是2μs）可確保系統(tǒng)快速反應(yīng)。在正常工作期間通過數(shù)字通道傳輸?shù)倪壿嬓盘栯娖綉?yīng)是非默認電平，通常是高電平。低壓電源一旦出現(xiàn)錯誤，監(jiān)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用輸出端相連后將直接開啟IGBT，不論柵極驅(qū)動器發(fā)送的是何種PWM命令。為防止柵極驅(qū)動器（在低壓電源缺失情況下柵極驅(qū)動器自動會試圖關(guān)斷IGBT）與開啟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(qū)動器的OSD輸出引腳。OSD引腳捕捉到的主動電平使輸出單元（即柵極驅(qū)動器的輸出端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、電機高轉(zhuǎn)速下）高壓邏輯電路、高壓[Lw1]部分低壓側(cè)驅(qū)動器和升壓器始終得到有效15V(VCC2)電源的供電。但是，主動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熱導(dǎo)致器件損壞。

為避免這種情況，柵極驅(qū)動器的NUV2信號在內(nèi)部由UVLO2功能直接控制。NUV2的工作原理類似于開漏信號。當(dāng)有效的15V電源電壓施加在柵極驅(qū)動器上時，NUV2呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。但是，當(dāng)施加無效電源時，ASC信號會被主動地驅(qū)往低層級。在并聯(lián)狀態(tài)下，將檢測到OSD引腳，柵極驅(qū)動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)啟動時）定期對安全通道的正常使用進行檢測。為此柵極驅(qū)動器的柵極監(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。接下來可以激活A(yù)SC信號進行檢驗并檢查柵極電壓是否達到了正確的閾值。

結(jié)論與概覽

多年來汽車電子系統(tǒng)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(dǎo)致硬件功能不斷被軟件取代；類似地，數(shù)字化也推動了功能集成度不斷提高，提升了診斷功能。數(shù)字柵極驅(qū)動器的推出提供一系列新的可能性，可以通過有效方式達到未來逆變器系統(tǒng)的安全目標(biāo)。

首先，在柵極驅(qū)動器內(nèi)部集成主要以分立形式發(fā)揮作用的各種監(jiān)控功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。其次，通過利用新式微控制器設(shè)計可以實現(xiàn)系統(tǒng)進一步優(yōu)化。例如，作為微控制器中的HW擴展型外圍設(shè)備的智能型IO監(jiān)視器單元可將IGBT監(jiān)視器發(fā)出的信號模式與初始的PWM命令（在內(nèi)部以冗余方式產(chǎn)生）進行比較。這樣低電壓(5V)邏輯可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時靈活地判斷是在低壓側(cè)開關(guān)還是在高壓側(cè)開關(guān)施加0矢量。將各種功能分布在微控制器和柵極驅(qū)動器可移除在目前標(biāo)準(zhǔn)逆變器中使用的擴展型組件，如FPGA與PLD。

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