符合功能安全要求的電動/混合動力汽車用IGBT 門級驅(qū)動器

汽車的電力驅(qū)動正在逐漸成為現(xiàn)實。大量的電動汽車（EVs）和混合動力電動汽車（HEVs）目前正在被生產(chǎn)出來應(yīng)用于大規(guī)模的商業(yè)化。這對汽車上的所有電氣系統(tǒng)均具有巨大影響，相對傳統(tǒng)燃油車輛，巨大的變革對效率、規(guī)模、安全性和成本具有極大的挑戰(zhàn)。這意味著我們必須同時在微觀的電子元器件層面和宏觀的整車系統(tǒng)架構(gòu)層拓展出新的概念。英飛凌為汽車電力驅(qū)動應(yīng)用提供了豐富產(chǎn)品組合，其中包括微控制器、柵極驅(qū)動器和IGBT功率模塊。這些產(chǎn)品組合可支持電動汽車和混合動力汽車系統(tǒng)解決方案的開發(fā)。

IGBT門級驅(qū)動器的基本功能

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(dāng)前典型的技術(shù)是通過一個集成的隔離驅(qū)動器，隔離邏輯電路和功率模塊，并驅(qū)動IGBT模塊，這就是所謂的IGBT門級驅(qū)動器。

柵極驅(qū)動器的主要功能是提供必要的電壓和電流信號，以有效的驅(qū)動和關(guān)斷IGBT。驅(qū)動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，英飛凌的汽車級EiceDRIVER?系列（1ED020I12FA2，1ED020I12FTA 和 2ED020I12FA）驅(qū)動電流2A，這意味著它已經(jīng)可以直接驅(qū)動小型MOSFET和IGBT功率模塊。如外加推挽電路會進(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。英飛凌為此開發(fā)出一項空芯變壓器技術(shù)（CLT）。CLT將變壓器的兩個線圈集成到一個集成電路中。以電感為基礎(chǔ)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向傳輸：微控制器的PWM控制信號可以透過電隔離屏障傳送至IGBT，而反饋信號可以被送回設(shè)備的低壓側(cè)（微處理器側(cè)）。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(nèi)不會發(fā)生在光耦合器中通常出現(xiàn)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(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)芯片生產(chǎn)過程中。與離散解決方案相比，可以顯著降低系統(tǒng)成本。還支持在設(shè)備上集成更多的功能。

第二代柵極驅(qū)動器支持更多的功能集成

ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的推出意味著未來的牽引逆變器必須符合上至AIL C或D的最高安全標(biāo) 準(zhǔn)。其中一個主要的安全要求規(guī)定，在發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)防止或限制產(chǎn)生不必要的車輪扭矩。這一頂級要求對使用的組件具有直接影響。為了滿足越來越嚴(yán)苛的需求，英飛凌開發(fā)出了新一代的柵極驅(qū)動器和升壓器：EiceDRIVER? SIL(1EDI2001AS，1EDI2002AS)和EiceDRIVER? Boost（1EBN1001AE）。EiceDRIVER SIL標(biāo)志著邁向功能一體化的又一重大步驟。它包括一個標(biāo)準(zhǔn)的中速（2 Msps）串行外設(shè)接口（SPI）總線?？偩€在系統(tǒng)啟動時用于配置設(shè)備,在運(yùn)行過程中提供狀態(tài)信息反饋到邏輯控制單元。SPI無需直接控制IGBT的開關(guān)行為；相反，它是正常PWM命令的一個并行通道。

IGBT門級驅(qū)動器的數(shù)字化，允許設(shè)計師實現(xiàn)多層級的診斷功能。在最底層級，對所有基本功能進(jìn)行監(jiān)測，如振蕩器、電源、內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整性等等，第二個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(shè)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車輛壽命周期中系統(tǒng)均能做出正確的故障響應(yīng)。下一層級涉及到確保PWM指令被IGBT正確地接收到。DESAT擴(kuò)展功能支持IGBT的VCE電壓的連續(xù)監(jiān)測。檢測結(jié)果被連續(xù)發(fā)送到低壓側(cè)，并且信息可以以數(shù)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(jiān)視器可以將IGBT狀態(tài)與原來的PWM實時命令（圖2）做出對比?？删幊萄舆t補(bǔ)償，比較MCU輸出PWM和和物理IGBT開關(guān)時間造成的等待時間。

以上幾種安全策略可以同時實施也可以部分實施用于降低成本 。以上多做電路保護(hù)策略，在逆變器系統(tǒng)實施主動短路（ASC）策略時尤其有益。對于一 臺永磁同步電機(jī)，這樣的策略實現(xiàn)起來可能非常復(fù)雜。IGBT是一種開關(guān)設(shè)備，在逆變器運(yùn)行過程中所有開關(guān)都在高速開關(guān)狀態(tài)。在高轉(zhuǎn)速時，磁體勵磁可能會導(dǎo)致過高電壓，并最終可能會導(dǎo)致逆變器的毀壞。因此，會引入逆變器的開關(guān)狀態(tài)為為0矢量所謂的主動短路（上管全開，下管全關(guān)）。圖3顯示出優(yōu)化逆變器架構(gòu)的一個范例。

EiceDRIVER Boost是增強(qiáng)了輸出電流能力的推挽輸出放大器，并集成了相關(guān)保護(hù)能力。它有一個專屬的輸入口，可以將輸入驅(qū)動PWM信號推動IGBT。來自于看門狗IC的信號，控制控制PWM是否能驅(qū)動IGBT。IGBT門級信號監(jiān)視器和輸出級監(jiān)視器等多項監(jiān)測功能，可保證安全監(jiān)控路徑的可靠。

結(jié)論

多年來，汽車系統(tǒng)已日益集成化。微控制器計算能力的指數(shù)增長導(dǎo)致硬件功能逐步轉(zhuǎn)向軟件；同樣，數(shù)字化正在日益增加功能集成，日益提高診斷能力。數(shù)字柵極驅(qū)動器的面世為滿足未來逆變器系統(tǒng)的安全目標(biāo)提供了一個新的有效可能性領(lǐng)域。這是在車載逆變器系統(tǒng)中實現(xiàn)智能驅(qū)動的征程上的第一個里程碑。（英飛凌igbt廠家）