車用逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化 助力電動汽車普及

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 標準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準。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。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，標準中速通信接口，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[!--empirenews.page--]

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™SIL 5V 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)處于高阻抗狀態(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 ASC 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。

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準逆變器中使用的擴展型組件，如 FPGA 與 PLD。