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车载逆变器-车载逆变器设计方案和结构优化技术方案详解-KIA 98858vip威尼斯

信息来源:本站 日期:2018-05-17 

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车载逆变器

车载逆变器设计方案

随着油电混合车和电动车技术的演进,逆变器驱动技术已经进入汽车领域,从空调机和加热系统等低功率应用,一直到驱动和再生制动系统等高功率应用,所有这些系统的共通点是需要通过保护逆变器设计中的功率开关晶体管来最大限度地提高工作寿命。


汽车系统中的逆变器为电动机控制电源的关键部件,它可以把相对较低的直流电池电压转换成为交流高电压,其中使用功率开关来调节能量的递送,请参考图1。通过微控制器送出开关信号,并利用隔离门驱动器作为低电压微控制器和高电压功率开关间的接口。


许多新形态的功率开关,如碳化硅,都被评估是否可以使用于汽车逆变器中,但目前最具竞争力的还是IGBT。长久以来,这些功率晶体管已经被广泛应用于高电压和高功率的处理上,但在发展过程中却存在缺点,为了把IGBT中的功率损耗降到最低,新一代的IGBT产品寻求降低开关和传导损耗,不过,为了降低传递损耗,通常必须在强固性上做出让步。

车载逆变器设计方案

图1 汽车系统中的逆变器使用功率开关IGBT器件控制电动机电源,但这些器件必须加以保护以确保长时间的工作寿命。


错误保护避免损坏

降低IGBT传导损耗通常会引起短路电流的增加,从而缩减短路的存活时间,许多逆变器的内部或外部错误情况会造成逆变器中一或多个IGBT短路或类似短路的过载情况,包括相位到相位输出短路、逆变器桥接脚的过冲,以及IGBT低驱动电压。由于IGBT会因这些错误而受到损坏,因此对于逆变器设计,快速并且可靠的IGBT短路检测和保护就变得非常重要。


但并非所有这些错误都可以使用相位电流传感器进行检测,一个比较好的替代做法是分别独立检测每个IGBT的负载电流大小。检测负载电流大小有几个方法,如使用分流电阻或射极分离的IGBT,可以产生正比于IGBT负载电流的电压信号,当信号超过设定的阀值大小时就会触发保护机制。不过IGBT的最大可容忍电流会依采用的工艺、工作温度以及门电压而定,因此在设定负载电流触发阀值时必须非常保守,以便限制IGBT的工作范围。


第三种做法是通过监视集电极到发射极的电压(VCE)来检测IGBT脱离饱和状态的时间,在普通工作情况下IGBT处于饱和模式而VCE低,当发生输出短路或低门极驱动情况时,IGBT会进入线性模式并且VCE上升,造成功率损耗过大引发器件失效,检测这个去饱和(DESAT)情况可以达到和监视输出电流相同的错误检测结果,但却有监视IGBT真实工作情况,有效降低许多外在因素干扰的优点,带来IGBT更高功率的使用。

车载逆变器设计方案

图2 集成了错误检测和软关断,Avago的ACPL-38JT IGBT门驱动光电耦合器可以解决可能破坏逆变器功率开关的错误情况和检测错误同等重要的是,逆变器本身设计的错误分辨能力,当检测到错误情况时,极可能有较大的电流经过,如果IGBT关断过于快速,那么快速的电流变化(di/dt)以及无可避免的连接寄生电感就有可能造成回流EMF超过IGBT的最高电压容忍大小,带来IGBT的损坏并破坏过电流保护机制。这个问题可以通过实现IGBT的软关断来减轻,利用延长错误发生时的门极放电时间降低电压的变化速度。


错误分辨能力也有着系统的考量,自动错误检测可以配置为同时关断所有其他门驱动来实现,另一方面,错误检测也可设计为每个IGBT独立进行错误检测和关断,允许通常较为适合汽车牵引应用的和缓错误处理和关断策略。自动错误检测也可以包含提供信号给负责管理汽车动力系统的微控制器,带来额外的响应选择。


可靠性是基本要求

在汽车系统中实现这些错误检测和IGBT保护电路必须有几个关键点,包括低成本、小尺寸以及强固性。由于汽车应用对于质量和可靠性的期待通常要比其他许多消费类和工业应用高上许多,因此强固性非常重要,进一步说,在更加恶劣的环境,包括极广的工作温度条件以及高幅射和感应电磁噪声下则必须具备更高的可靠性。


高度集成方案,如图2中Avago的ACPL-38JT门驱动光电耦合器通过集成去饱合检测和欠压锁定(UVLO, Under Voltage LockOut)电路,以及隔离的错误信号和软关断等多个功能到IGBT门驱动器中满足了所有这些需求。Avago的光隔离功能包括环绕光接收器的透明法拉第屏蔽协助降低电磁噪声耦合,并使用特别设计的LED确保高温条件下的更长工作寿命,内置的保护电路可以节省数个分立器件而降低成本,并通过解决所有错误情况,包括可能破坏功率开关晶体管的低门驱动电压提高系统的可靠性。


在门驱动和IGBT保护电路上使用单一集成器件也可以通过消除分立器件失效点协助提高系统的可靠性,另外,集成器件也可借由完整和通过预先测试的设计而有助于缩短设计和通过监管审查时间。举例来说,ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽车准则进行生产和测试,工作温度范围达到- 40℃到125℃。


随着高功率电气系统在汽车设计中的角色越来越加重要,错误保护成为确保长时间工作寿命的必备条件,在逆变器设计中的功率开关使用同时提供有检测和响应机制的集成方案,可以通过紧凑、低成本并且高可靠性的方式满足这个需求。


车载逆变器结构优化

汽车行业掀起了一场技术变革:电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)正大规模地投产,进入商业化运作。这意味着采用新型结构的汽车正在大量推出。从电子系统的角度来看,迄今为止用于电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的技术主要源自在过去数十年间最初是针对工业应用而开发的各种解决方案。由于汽车行业在商业上和技术上都有不同于工业系统的特定要求,因此需要开发专用的解决方案。


考虑到传动系统,特别是逆变器,xEV的厂商将要应对三大挑战:提高能效、降低成本以及最终满足功能性安全要求。ISO26262标准的引入推动了对智能型、高性价比电子解决方案的需求。


逆变器电子结构


图1代表了与永磁同步电机(PMSM)一起用于汽车的牵引逆变器的典型结构。它由三个主要部分构成:


低压(LV)侧的主要逻辑电路


驱动单元


与直流链接相连的IGBT功率模块。


驱动单元通常由单个PCB构成,PCB的连接应尽可能靠近功率模块以最大程度降低IGBT栅极信号通路中的寄生元件的数量。

车载逆变器设计方案

每个IGBT均由栅极驱动器驱动,该驱动器的主要功能为:


提供低压和高压之间的电绝缘功能。一流的解决方案有赖于感应式、电容式隔离或光学隔离。


驱动IGBT栅极以使系统达到最高效率。这意味着器件应能够提供足够大的电流对栅极进行快速充电和放电。为达到这一目的,经常在驱动器和IGBT之间设置后驱动单元(或升压单元)。


提供基本的保护功能,如欠压锁定(UVLO)功能或去饱和保护(DESAT)功能。


除了上述这些功能,还对栅极驱动器提出了其他要求以达到安全标准。其中一个主要安全要求规定在出现故障时系统应可以防止或限制电机在车轮产生多余的力矩,这样不会出现司机无法控制车辆的情况。对于非同步电机来说,此类策略(相对)易于部署,这是由于系统的安全状态是通过打开所有开关实现;IGBT是常态下处于关断状态的器件,因此安全状态是逆变器的默认状态。


对于永磁同步电机(PMSM)来说,由于在高转速(RPM)下,磁激励可能导致过压,因此情况更为复杂。这会导致逆变器组件受到破坏。例如基于机械子系统或斩波器的解决方案,数种方法在工业系统中通过应用证明其可行性,从而限制低于逆变器额定值的过压情况。但是,这些支持系统会产生额外成本,导致这一解决方案对于车用逆变器而言缺乏实际可用性。


抗故障主动短路(ASC)策略的部署可以实现系统的安全目标。该策略确保在每个单独的故障情况下,逆变器通过短接电机相线可产生0矢量(或称为主动短路)。


在这种状态下产生的普通制动转矩不会导致司机无法控制车辆。

车载逆变器设计方案

为了具有抗故障的鲁棒性,支持主动短路(ASC)的结构有赖于:


冗余电源系统(通常由直流链接提供),该系统确保驱动板的某些关键功能始终启用从而使IGBT保持在打开的状态。


监控IGBT的状态以实时检查从主逻辑电路到IGBT自身的PWM命令是否具有一致性。


在应用生命周期中提高系统的可测试性,以跟踪系统的潜在故障。


分开实施此类措施不仅会显著增加材料清单成本,而且还会增加驱动板PCB的尺寸,这在满足汽车内部的空间局限要求上会产生问题。


数字驱动器:必要措施


为优化逆变器结构,应实施两种主要方案:


功能集成:每个新一代硅技术都可提升集成级别,意味着分立式功能可以在ASSP内集成。在许多汽车系统中均可发现相关的连续集成措施,特别是在传统的ECU上。


?功能叠加:ASC策略的实施依靠超越电隔离障碍传输一系列的信号。由于栅极驱动器已经内置了电隔离功能,因此是在电隔离通信通道中对多个功能进行叠加的理想选择。


为实现功能集成与功能叠加,栅极驱动器必须数字化,至少部分数字化。这个措施可以通过向栅极驱动器添加数字接口实现。至低压主要逻辑电路的通信链接将用于在系统启动时对器件进行配置,提供每一驱动器在运行期间的状态信息以及触发侵入式系统检测。应注意,通信链接并不一定要直接控制IGBT的开关行为,但可以视为常规PWM命令的并行通道。鉴于此,标准中速通信接口,如串联外围设备接口(SPI),会是不错的选择。


三种层级的诊断功能可采用上述方式集成:


栅极驱动器层级:监视振荡器、电源、内部数据完整性等。


故障注入层级:注入假设的故障(如虚拟的DESAT事件),检验系统是否能对此类事件做出正确反应。


信号一致性检验层级:通过SPI读取栅极驱动器发送和接收到的信号级别。


图3显示了经优化的逆变器结构。

车载逆变器设计方案

一些分立式安全功能已分布于系统的各个不同组件上。在驱动器中集成了先进的IGBT状态监视器和栅极监视器。这样在逆变器工作过程中可以对IGBT状态进行实时监控。例如,通过扩展大家熟悉的去饱和保护功能,可以对IGBT进行监视。


通常DESAT保护功能在打开状态下会对IGBT的Vce电压进行监视。当超过电压阈值(通常是9V)时,在检测到短路状况时,IGBT会自动关断。DESAT的扩展功能可以实现对Vce电压的持续监控。比较器的结果被持续送往低压侧,信息以数字信号的形式提供给低压逻辑电路。智能型低压逻辑电路接下来可以将IGBT状态与初始的PWM命令进行比较。需要使用延迟功能与过滤器以补偿超越电隔离障碍时的IGBT开关时间和传播时间。


在栅极驱动器内集成数字通信通道与栅极监视器的优点将在以下章节中进行说明。


安全通道部署


本节提供的安全通道部署示例用于应对“低压电源缺失”的故障情况。此通道部署采用英飞凌新型栅极驱动器EiceDRIVER?SIL与后驱动单元EiceDRIVER?Boost(图4)

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高压逻辑块接收来自低压侧的控制信号,该信号起着发布进入ASC模式命令的作用。该控制信号可通过栅极驱动器数字通道(DIO1/DIO2)越过电隔离障碍进行传输。数字通道的低延时(通常是2μs)可确保系统快速反应。在正常工作期间通过数字通道传输的逻辑信号电平应是非默认电平,通常是高电平。低压电源一旦出现错误,监视EiceDRIVER?SIL5V电源的欠压锁定(UVLO)功能将禁用DIO2信号。


在完成对DIO2信号的评估之后,高压逻辑电路将判定为ASC信号。该信号与升压器的专用输出端相连后将直接开启IGBT,不论栅极驱动器发送的是何种PWM命令。为防止栅极驱动器(在低压电源缺失情况下栅极驱动器自动会试图关断IGBT)与开启IGBT的升压器之间流经高交叉电流,ASC信号被连接至栅极驱动器的OSD输出引脚。OSD引脚捕捉到的主动电平使输出单元(即栅极驱动器的输出端OUT)处于高阻抗状态(三态)。


由直流链接提供的紧急电源确保在ASC临界条件下(即在高直流链接电压、电机高转速下)高压逻辑电路、高压[Lw1]部分低压侧驱动器和升压器始终得到有效15V(VCC2)电源的供电。但是,主动ASC模式应仅在直流链接可提供有效15V电源的情况下由系统启用。否则一旦VCC2开始出现低于临界电压的情况,IGBT将以线性模式工作,这可能造成器件较大损耗并最终可能因过热导致器件损坏。


为避免这种情况,栅极驱动器的NUV2信号在内部由UVLO2功能直接控制。NUV2的工作原理类似于开漏信号。当有效的15V电源电压施加在栅极驱动器上时,NUV2呈现高电阻状态。但是,当施加无效电源时,ASC信号会被主动地驱往低层级。在并联状态下,将检测到OSD引脚,栅极驱动器的输出单元将退出三态模式。这样可确保IGBT快速关断。


最后,应在应用生命周期中(例如,在系统启动时)定期对安全通道的正常使用进行检测。为此栅极驱动器的栅极监视器功能包含了一组比较器,比较器的状态可由SPI接口读取。接下来可以激活ASC信号进行检验并检查栅极电压是否达到了正确的阈值。


结论与概览


多年来汽车电子系统的总体趋势始终是日益集成化:微控制器的计算性能大幅提高导致硬件功能不断被软件取代;类似地,数字化也推动了功能集成度不断提高,提升了诊断功能。数字栅极驱动器的推出提供一系列新的可能性,可以通过有效方式达到未来逆变器系统的安全目标。


首先,在栅极驱动器内部集成主要以分立形式发挥作用的各种监控功能,可实现系统优化。其次,通过利用新式微控制器设计可以实现系统进一步优化。例如,作为微控制器中的HW扩展型外围设备的智能型IO监视器单元可将IGBT监视器发出的信号模式与初始的PWM命令(在内部以冗余方式产生)进行比较。这样低电压(5V)逻辑可以在系统出现故障时灵活地判断是在低压侧开关还是在高压侧开关施加0矢量。将各种功能分布在微控制器和栅极驱动器可移除在目前标准逆变器中使用的扩展型组件,如FPGA与PLD。


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