車用逆變器結構優化 助力電動汽車普及

汽車行業掀起了一場技術變革：電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV) 正大規模地投產，進入商業化運作。這意味著采用新型結構的汽車正在大量推出。從電子系統的角度來看，迄今為止用于電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV) 的技術主要源自在過去數十年間最初是針對工業應用而開發的各種解決方案。由于汽車行業在商業上和技術上都有不同于工業系統的特定要求，因此需要開發專用的解決方案。

考慮到傳動系統，特別是逆變器，xEV 的廠商將要應對三大挑戰：提高能效、降低成本以及最終滿足功能性安全要求。ISO26262 標準的引入推動了對智能型、高性價比電子解決方案的需求。

逆變器電子結構

圖 1 代表了與永磁同步電機 (PMSM) 一起用于汽車的牽引逆變器的典型結構。它由三個主要部分構成：

• 低壓 (LV) 側的主要邏輯電路

• 驅動單元

• 與直流鏈接相連的 IGBT 功率模塊。

驅動單元通常由單個 PCB 構成，PCB 的連接應盡可能靠近功率模塊以最大程度降低 IGBT 柵極信號通路中的寄生元件的數量。

每個 IGBT 均由柵極驅動器驅動，該驅動器的主要功能為 ：

• 提供低壓和高壓之間的電絕緣功能。一流的解決方案有賴于感應式、電容式隔離或光學隔離。

• 驅動 IGBT 柵極以使系統達到最高效率。這意味著器件應能夠提供足夠大的電流對柵極進行快速充電和放電。為達到這一目的，經常在驅動器和 IGBT 之間設置后驅動單元(或升壓單元)。

• 提供基本的保護功能，如欠壓鎖定 (UVLO) 功能或去飽和保護 (DESAT) 功能。

除了上述這些功能，還對柵極驅動器提出了其他要求以達到安全標準。其中一個主要安全要求規定在出現故障時系統應可以防止或限制電機在車輪產生多余的力矩，這樣不會出現司機無法控制車輛的情況。對于非同步電機來說，此類策略(相對)易于部署，這是由于系統的安全狀態是通過打開所有開關實現;IGBT 是常態下處于關斷狀態的器件，因此安全狀態是逆變器的默認狀態。

對于永磁同步電機 (PMSM)來說，由于在高轉速 (RPM) 下，磁激勵可能導致過壓，因此情況更為復雜。這會導致逆變器組件受到破壞。 例如基于機械子系統或斬波器的解決方案，數種方法在工業系統中通過應用證明其可行性，從而限制低于逆變器額定值的過壓情況。但是，這些支持系統會產生額外成本，導致這一解決方案對于車用逆變器而言缺乏實際可用性。

抗故障主動短路 (ASC) 策略的部署可以實現系統的安全目標。該策略確保在每個單獨的故障情況下，逆變器通過短接電機相線可產生 0 矢量(或稱為主動短路)。

在這種狀態下產生的普通制動轉矩不會導致司機無法控制車輛。

為了具有抗故障的魯棒性，支持主動短路 (ASC) 的結構有賴于：

• 冗余電源系統(通常由直流鏈接提供)，該系統確保驅動板的某些關鍵功能始終啟用從而使 IGBT 保持在打開的狀態。

• 監控 IGBT 的狀態以實時檢查從主邏輯電路到 IGBT 自身的 PWM 命令是否具有一致性。

• 在應用生命周期中提高系統的可測試性，以跟蹤系統的潛在故障。

分開實施此類措施不僅會顯著增加材料清單成本，而且還會增加驅動板 PCB 的尺寸，這在滿足汽車內部的空間局限要求上會產生問題。

數字驅動器：必要措施

為優化逆變器結構，應實施兩種主要方案：

• 功能集成：每個新一代硅技術都可提升集成級別，意味著分立式功能可以在 ASSP 內集成。在許多汽車系統中均可發現相關的連續集成措施，特別是在傳統的 ECU 上。

• 功能疊加：ASC 策略的實施依靠超越電隔離障礙傳輸一系列的信號。由于柵極驅動器已經內置了電隔離功能，因此是在電隔離通信通道中對多個功能進行疊加的理想選擇。

為實現功能集成與功能疊加，柵極驅動器必須數字化，至少部分數字化。這個措施可以通過向柵極驅動器添加數字接口實現。至低壓主要邏輯電路的通信鏈接將用于在系統啟動時對器件進行配置，提供每一驅動器在運行期間的狀態信息以及觸發侵入式系統檢測。應注意，通信鏈接并不一定要直接控制 IGBT 的開關行為，但可以視為

常規 PWM 命令的并行通道。鑒于此，標準中速通信接口，如串聯外圍設備接口 (SPI)，會是不錯的選擇。

三種層級的診斷功能可采用上述方式集成：

• 柵極驅動器層級：監視振蕩器、電源、內部數據完整性等。

• 故障注入層級：注入假設的故障(如虛擬的 DESAT 事件)，檢驗系統是否能對此類事件做出正確反應。

• 信號一致性檢驗層級：通過 SPI 讀取柵極驅動器發送和接收到的信號級別。

圖3 顯示了經優化的逆變器結構。

一些分立式安全功能已分布于系統的各個不同組件上。在驅動器中集成了先進的 IGBT 狀態監視器和柵極監視器。這樣在逆變器工作過程中可以對 IGBT 狀態進行實時監控。例如，通過擴展大家熟悉的去飽和保護功能，可以對 IGBT 進行監視。

通常 DESAT 保護功能在打開狀態下會對 IGBT 的 Vce 電壓進行監視。當超過電壓閾值(通常是 9V)時,在檢測到短路狀況時，IGBT 會自動關斷。DESAT 的擴展功能可以實現對 Vce 電壓的持續監控。比較器的結果被持續送往低壓側，信息以數字信號的形式提供給低壓邏輯電路。智能型低壓邏輯電路接下來可以

將 IGBT 狀態與初始的 PWM 命令進行比較。需要使用延遲功能與過濾器以補償超越電隔離障礙時的 IGBT 開關時間和傳播時間。

在柵極驅動器內集成數字通信通道與柵極監視器的優點