多措并舉，Power Integrations讓牽引逆變器更安全可靠

牽引逆變器是幫助純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和傳輸?shù)闹匾b置，其運行的穩(wěn)定性直接影響到電動汽車的動力輸出和續(xù)航。

2020年11月30日，在中國國際汽車電子高峰論壇上，Power Integrations大功率FAE經(jīng)理王強作主題演講——《提高牽引逆變器安全可靠性的IC解決方案》，重點介紹了如何借助Power Integrations的IC解決方案打造更安全可靠的電動汽車牽引逆變器。

中國國際汽車電子高峰論壇由上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會、中國（上海）自由貿(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)管理委員會指導(dǎo)，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會主辦，ASPENCORE合辦，邀請了整車廠商、Tier 1零部件供應(yīng)商、汽車半導(dǎo)體廠商和智能駕駛開發(fā)商等業(yè)界專家，共同探討汽車電子的設(shè)計、供應(yīng)鏈、測試及質(zhì)量控制等熱門話題。

從IGBT到SiC MOSFET  支持更高的母線電壓

當(dāng)前，電動汽車演進(jìn)的方向和用戶需求是一致的，那就是充電更快、續(xù)航更遠(yuǎn)。電動汽車的母線電壓開始由普通的400V轉(zhuǎn)向電動巴士所采用的800V，甚至是更高的925V，以實現(xiàn)：

● 充電速度更快

● 電纜中的電流更小

● 動力系統(tǒng)重量更輕、散熱更少

在此過程中，傳統(tǒng)牽引逆變器在效率、續(xù)航、成本和安全性等方面都遇到了瓶頸。王強認(rèn)為：“逆變器的傳動系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向基于SiC的功率器件，使用SiC模塊替換舊有的IGBT模塊，以支持更高的母線高壓，進(jìn)而幫助電動汽車的動力系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度，提升電池的續(xù)航能力?！?/p>

當(dāng)然，不管是基于IGBT模塊，還是基于SiC模塊，牽引逆變器解決方案都需要滿足ISO 26262《道路車輛功能安全》國際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)車輛發(fā)生故障時，系統(tǒng)要保護(hù)用戶。

應(yīng)對ISO 26262要求  InnoSwitch3-AQ提供極高的可靠性

王強指出，ISO 26262要求在牽引逆變器中使用EPS（電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）。EPS在輔助電池失效的情況下，為車輛安全轉(zhuǎn)向和減速提供動力，既要能夠在動力電池電壓下工作，當(dāng)主電壓母線受到影響時，EPS需要在30 VDC(MIN)電壓的情況下也能夠繼續(xù)工作。

當(dāng)然，EPS在設(shè)計過程中也需要滿足功能安全概念設(shè)計，比如防止電機(jī)產(chǎn)生自主扭矩，防止電機(jī)產(chǎn)生死鎖扭矩，以及防止電機(jī)不提供動力等等，以上這些對元器件的穩(wěn)定性和可靠性提出了很高的要求。

適用于EPS的InnoSwitch3-AQ可以幫助設(shè)計者應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。InnoSwitch3-AQ反激式開關(guān)IC從高壓直流母線取電，為驅(qū)動電機(jī)控制和牽引控制器提供供電，能夠支持超寬輸入范圍：30至550V或30至925V母線電壓。

InnoSwitch3-AQ參考設(shè)計

InnoSwitch3-AQ采用Power Integrations的高速FluxLink?耦合技術(shù), 可在無需專用隔離變壓器檢測繞組和光耦的情況下,實現(xiàn)±3%的高精度輸入電壓和負(fù)載綜合調(diào)整率。集成的750 V MOSFET可滿足嚴(yán)格的汽車降額要求，片上同步整流控制器在標(biāo)稱400 VDC輸入電壓下可提供90%以上的效率。同時，InnoSwitch3-AQ系列IC符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，并在生產(chǎn)過程已通過IATF16949認(rèn)證，為系統(tǒng)提供完善的保護(hù)。

對于800V和電壓更高的母線應(yīng)用可選用StackFET?。適用于30V-925V輸入的30W外部電源DER-859Q就是采用tackFET?的類似設(shè)計，可以支持最高925 V母線電壓。

DER-859Q參考設(shè)計

驅(qū)動和保護(hù)  助力基于SiC模塊的逆變器

上面已經(jīng)提到，采用基于SiC模塊的牽引逆變器對于電動汽車而言是未來的大趨勢，Power Integrations為此提供了多方位的支持。除了InnoSwitch3-AQ，演講中王強還提到了SiC MOSFET門極驅(qū)動器以及過壓保護(hù)和di/dt控制“AROC”。

SCALE-iDriver是適用于IGBT和SiC MOSFET的純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)門極驅(qū)動器解決方案，已通過AEC-Q100認(rèn)證1級標(biāo)準(zhǔn)，并符合LV123標(biāo)準(zhǔn)。

其中，SIC1181KQ和SIC1182KQ是適用于BEV和PHEV牽引逆變器的SiC MOSFET門極驅(qū)動器，前者適合350V/400V電池，后者適合800V電池。

SIC1181KQ和SIC1182KQ都集成了FluxLink技術(shù)，提供最高1200V加強絕緣，支持開關(guān)頻率最高至150kHz，峰值輸出門極驅(qū)動電流為±8A @TA = 125 °C，并提供完善的保護(hù)：

● 漏極-源極過壓保護(hù)

● 通過電阻串實現(xiàn)超快短路保護(hù) - 典型短路響應(yīng)時間<2μs

● 針對集成電流檢測/鏡像功能的SiC MOSFET，可實現(xiàn)過流關(guān)斷

● 原方和副方欠壓保護(hù)(UVLO)

SIC118xKQ驅(qū)動設(shè)計

在短路保護(hù)部分，王強重點介紹了過壓保護(hù)和di/dt控制“AROC”——Advanced Resistive Overvoltage Control（高級阻性過壓控制）。

在現(xiàn)實應(yīng)用中，為了應(yīng)對短路情況不得不增大驅(qū)動電阻。此妥協(xié)的后果是，在部分/滿負(fù)載工作狀態(tài)下，開關(guān)損耗偏高。SIC1182K可優(yōu)化門極電阻，最大程度減小開關(guān)損耗，提高短路關(guān)斷可靠性，可提高WLTP(全球輕型車測試規(guī)程)的效率。

有無“AROC”對比

總結(jié)

隨著電動汽車對充電效率和續(xù)航里程的要求不斷提高，母線電壓升高是大勢所趨，這也伴隨著很多設(shè)計挑戰(zhàn)，基于SiC模塊的牽引逆變器是化解難題的“魔法棒”，而Power Integrations要做的就是讓其持續(xù)安全可靠。