符合功能安全要求的電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)用IGBT 門(mén)級驅動(dòng)器

汽車(chē)的電力驅動(dòng)正在逐漸成為現實(shí)。大量的電動(dòng)汽車(chē)（EVs）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEVs）目前正在被生產(chǎn)出來(lái)應用于大規模的商業(yè)化。這對汽車(chē)上的所有電氣系統均具有巨大影響，相對傳統燃油車(chē)輛，巨大的變革對效率、規模、安全性和成本具有極大的挑戰。這意味著(zhù)我們必須同時(shí)在微觀(guān)的電子元器件層面和宏觀(guān)的整車(chē)系統架構層拓展出新的概念。英飛凌為汽車(chē)電力驅動(dòng)應用提供了豐富產(chǎn)品組合，其中包括微控制器、柵極驅動(dòng)器和IGBT功率模塊。這些產(chǎn)品組合可支持電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)系統解決方案的開(kāi)發(fā)。

IGBT門(mén)級驅動(dòng)器的基本功能

逆變器主要組成部分包括兩部分（如圖1）高功率的IGBT模塊和由12V電池供電控制邏輯。當前典型的技術(shù)是通過(guò)一個(gè)集成的隔離驅動(dòng)器，隔離邏輯電路和功率模塊，并驅動(dòng)IGBT模塊，這就是所謂的IGBT門(mén)級驅動(dòng)器。

柵極驅動(dòng)器的主要功能是提供必要的電壓和電流信號，以有效的驅動(dòng)和關(guān)斷IGBT。驅動(dòng)IC的最大輸出電流通常是利用外部推挽輸出電路予以提升的。例如，英飛凌的汽車(chē)級EiceDRIVER?系列（1ED020I12FA2，1ED020I12FTA 和 2ED020I12FA）驅動(dòng)電流2A，這意味著(zhù)它已經(jīng)可以直接驅動(dòng)小型MOSFET和IGBT功率模塊。如外加推挽電路會(huì )進(jìn)一步增加電流能力。

此外，必須對低電壓和高電壓域進(jìn)行電氣隔離。英飛凌為此開(kāi)發(fā)出一項空芯變壓器技術(shù)（CLT）。CLT將變壓器的兩個(gè)線(xiàn)圈集成到一個(gè)集成電路中。以電感為基礎實(shí)現數據傳輸的雙向傳輸：微控制器的PWM控制信號可以透過(guò)電隔離屏障傳送至IGBT，而反饋信號可以被送回設備的低壓側（微處理器側）。與其它隔離技術(shù)相比，CLT具有多項優(yōu)勢：它在使用壽命內不會(huì )發(fā)生在光耦合器中通常出現的降解退化；它具有高抗電磁干擾和瞬變能力；并且可以很容易地應用到標準芯片生產(chǎn)過(guò)程中。與離散解決方案相比，可以顯著(zhù)降低系統成本。還支持在設備上集成更多的功能。

第二代柵極驅動(dòng)器支持更多的功能集成

ISO 26262標準的推出意味著(zhù)未來(lái)的牽引逆變器必須符合上至AIL C或D的最高安全標 準。其中一個(gè)主要的安全要求規定，在發(fā)生故障時(shí)，系統應防止或限制產(chǎn)生不必要的車(chē)輪扭矩。這一頂級要求對使用的組件具有直接影響。為了滿(mǎn)足越來(lái)越嚴苛的需求，英飛凌開(kāi)發(fā)出了新一代的柵極驅動(dòng)器和升壓器：EiceDRIVER? SIL(1EDI2001AS，1EDI2002AS)和EiceDRIVER? Boost（1EBN1001AE）。EiceDRIVER SIL標志著(zhù)邁向功能一體化的又一重大步驟。它包括一個(gè)標準的中速（2 Msps）串行外設接口（SPI）總線(xiàn)?？偩€(xiàn)在系統啟動(dòng)時(shí)用于配置設備,在運行過(guò)程中提供狀態(tài)信息反饋到邏輯控制單元。SPI無(wú)需直接控制IGBT的開(kāi)關(guān)行為；相反，它是正常PWM命令的一個(gè)并行通道。

IGBT門(mén)級驅動(dòng)器的數字化，允許設計師實(shí)現多層級的診斷功能。在最底層級，對所有基本功能進(jìn)行監測，如振蕩器、電源、內部數據的完整性等等，第二個(gè)層級與電路板間的通信相關(guān)。在這里，可以讀取MCU經(jīng)SPI發(fā)送和接收的信號，對比硬件PWM信號檢查信號的連貫性。在更高的層級上，該設備支持“假性”故障檢測（例如虛假DESAT事件）。由此可以檢測到潛在的“休眠性”故障。因此可以保證在整個(gè)車(chē)輛壽命周期中系統均能做出正確的故障響應。下一層級涉及到確保PWM指令被IGBT正確地接收到。DESAT擴展功能支持IGBT的VCE電壓的連續監測。檢測結果被連續發(fā)送到低壓側，并且信息可以以數字信號的形式予以獲得。然后英飛凌全新AURIX?微控制器系列的I/O監視器可以將IGBT狀態(tài)與原來(lái)的PWM實(shí)時(shí)命令（圖2）做出對比?？删幊萄舆t補償，比較MCU輸出PWM和和物理IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間造成的等待時(shí)間。

以上幾種安全策略可以同時(shí)實(shí)施也可以部分實(shí)施用于降低成本 。以上多做電路保護策略，在逆變器系統實(shí)施主動(dòng)短路（ASC）策略時(shí)尤其有益。對于一 臺永磁同步電機，這樣的策略實(shí)現起來(lái)可能非常復雜。IGBT是一種開(kāi)關(guān)設備，在逆變器運行過(guò)程中所有開(kāi)關(guān)都在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在高轉速時(shí)，磁體勵磁可能會(huì )導致過(guò)高電壓，并最終可能會(huì )導致逆變器的毀壞。因此，會(huì )引入逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為為0矢量所謂的主動(dòng)短路（上管全開(kāi)，下管全關(guān)）。圖3顯示出優(yōu)化逆變器架構的一個(gè)范例。

EiceDRIVER Boost是增強了輸出電流能力的推挽輸出放大器，并集成了相關(guān)保護能力。它有一個(gè)專(zhuān)屬的輸入口，可以將輸入驅動(dòng)PWM信號推動(dòng)IGBT。來(lái)自于看門(mén)狗IC的信號，控制控制PWM是否能驅動(dòng)IGBT。IGBT門(mén)級信號監視器和輸出級監視器等多項監測功能，可保證安全監控路徑的可靠。

結論

多年來(lái)，汽車(chē)系統已日益集成化。微控制器計算能力的指數增長(cháng)導致硬件功能逐步轉向軟件；同樣，數字化正在日益增加功能集成，日益提高診斷能力。數字柵極驅動(dòng)器的面世為滿(mǎn)足未來(lái)逆變器系統的安全目標提供了一個(gè)新的有效可能性領(lǐng)域。這是在車(chē)載逆變器系統中實(shí)現智能驅動(dòng)的征程上的第一個(gè)里程碑。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）