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(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