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符合功能安全要求的电动/混合动力汽车用IGBT 门级驱动器

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深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-26 20:53 浏览量 : 39

符合功能安全要求的电动/混合动力汽车用IGBT 门级驱动器


汽车的电力驱动正在逐渐成为现实。大量的电动汽车(EVs)和混合动力电动汽车(HEVs)目前正在被生产出来应用于大规模的商业化。这对汽车上的所有电气系统均具有巨大影响,相对传统燃油车辆,巨大的变革对效率、规模、安全性和成本具有极大的挑战。这意味着我们必须同时在微观的电子元器件层面和宏观的整车系统架构层拓展出新的概念。英飞凌为汽车电力驱动应用提供了丰富产品组合,其中包括微控制器、栅极驱动器和IGBT功率模块。这些产品组合可支持电动汽车和混合动力汽车系统解决方案的开发。

IGBT门级驱动器的基本功能

逆变器主要组成部分包括两部分(如图1)高功率的IGBT模块和由12V电池供电控制逻辑。当前典型的技术是通过一个集成的隔离驱动器,隔离逻辑电路和功率模块,并驱动IGBT模块,这就是所谓的IGBT门级驱动器。

图1:典型的牵引逆变器系统

栅极驱动器的主要功能是提供必要的电压和电流信号,以有效的驱动和关断IGBT。驱动IC的最大输出电流通常是利用外部推挽输出电路予以提升的。例如,英飞凌的汽车级EiceDRIVER™系列(1ED020I12FA2,1ED020I12FTA 和 2ED020I12FA)驱动电流2A,这意味着它已经可以直接驱动小型MOSFET和IGBT功率模块。如外加推挽电路会进一步增加电流能力。

此外,必须对低电压和高电压域进行电气隔离。英飞凌为此开发出一项空芯变压器技术(CLT)。CLT将变压器的两个线圈集成到一个集成电路中。以电感为基础实现数据传输的双向传输:微控制器的PWM控制信号可以透过电隔离屏障传送至IGBT,而反馈信号可以被送回设备的低压侧(微处理器侧)。与其它隔离技术相比,CLT具有多项优势:它在使用寿命内不会发生在光耦合器中通常出现的降解退化;它具有高抗电磁干扰和瞬变能力;并且可以很容易地应用到标准芯片生产过程中。与离散解决方案相比,可以显著降低系统成本。还支持在设备上集成更多的功能。

第二代栅极驱动器支持更多的功能集成

ISO 26262标准的推出意味着未来的牵引逆变器必须符合上至AIL C或D的最高安全标 准。其中一个主要的安全要求规定,在发生故障时,系统应防止或限制产生不必要的车轮扭矩。这一顶级要求对使用的组件具有直接影响。为了满足越来越严苛的需求,英飞凌开发出了新一代的栅极驱动器和升压器:EiceDRIVER™ SIL(1EDI2001AS,1EDI2002AS)和EiceDRIVER™ Boost(1EBN1001AE)。EiceDRIVER SIL标志着迈向功能一体化的又一重大步骤。它包括一个标准的中速(2 Msps)串行外设接口(SPI)总线。总线在系统启动时用于配置设备,在运行过程中提供状态信息反馈到逻辑控制单元。SPI无需直接控制IGBT的开关行为;相反,它是正常PWM命令的一个并行通道。

IGBT门级驱动器的数字化,允许设计师实现多层级的诊断功能。在最底层级,对所有基本功能进行监测,如振荡器、电源、内部数据的完整性等等,第二个层级与电路板间的通信相关。在这里,可以读取MCU经SPI发送和接收的信号,对比硬件PWM信号检查信号的连贯性。在更高的层级上,该设备支持“假性”故障检测(例如虚假DESAT事件)。由此可以检测到潜在的“休眠性”故障。因此可以保证在整个车辆寿命周期中系统均能做出正确的故障响应。下一层级涉及到确保PWM指令被IGBT正确地接收到。DESAT扩展功能支持IGBT的VCE电压的连续监测。检测结果被连续发送到低压侧,并且信息可以以数字信号的形式予以获得。然后英飞凌全新AURIX™微控制器系列的I/O监视器可以将IGBT状态与原来的PWM实时命令(图2)做出对比。可编程延迟补偿,比较MCU输出PWM和和物理IGBT开关时间造成的等待时间。

图2:为电动机和功率级监控配置的IOM

以上几种安全策略可以同时实施也可以部分实施用于降低成本 。以上多做电路保护策略,在逆变器系统实施主动短路(ASC)策略时尤其有益。对于一 台永磁同步电机,这样的策略实现起来可能非常复杂。IGBT是一种开关设备,在逆变器运行过程中所有开关都在高速开关状态。在高转速时,磁体励磁可能会导致过高电压,并最终可能会导致逆变器的毁坏。因此,会引入逆变器的开关状态为为0矢量所谓的主动短路(上管全开,下管全关)。图3显示出优化逆变器架构的一个范例。

图3:优化逆变器架构示例

EiceDRIVER Boost是增强了输出电流能力的推挽输出放大器,并集成了相关保护能力。它有一个专属的输入口,可以将输入驱动PWM信号推动IGBT。来自于看门狗IC的信号,控制控制PWM是否能驱动IGBT。IGBT门级信号监视器和输出级监视器等多项监测功能,可保证安全监控路径的可靠。

结论

多年来,汽车系统已日益集成化。微控制器计算能力的指数增长导致硬件功能逐步转向软件;同样,数字化正在日益增加功能集成,日益提高诊断能力。数字栅极驱动器的面世为满足未来逆变器系统的安全目标提供了一个新的有效可能性领域。这是在车载逆变器系统中实现智能驱动的征程上的第一个里程碑。(英飞凌igbt厂家


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