多措并舉，Power Integrations讓牽引逆變器更安全可靠

牽引逆變器是幫助純電動(dòng)汽車(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和傳輸?shù)闹匾b置，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響到電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出和續(xù)航。

2020年11月30日，在中國(guó)國(guó)際汽車電子高峰論壇上，Power Integrations大功率FAE經(jīng)理王強(qiáng)作主題演講——《提高牽引逆變器安全可靠性的IC解決方案》，重點(diǎn)介紹了如何借助Power Integrations的IC解決方案打造更安全可靠的電動(dòng)汽車牽引逆變器。

中國(guó)國(guó)際汽車電子高峰論壇由上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)管理委員會(huì)指導(dǎo)，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，ASPENCORE合辦，邀請(qǐng)了整車廠商、Tier 1零部件供應(yīng)商、汽車半導(dǎo)體廠商和智能駕駛開(kāi)發(fā)商等業(yè)界專家，共同探討汽車電子的設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈、測(cè)試及質(zhì)量控制等熱門話題。

從IGBT到SiC MOSFET  支持更高的母線電壓

當(dāng)前，電動(dòng)汽車演進(jìn)的方向和用戶需求是一致的，那就是充電更快、續(xù)航更遠(yuǎn)。電動(dòng)汽車的母線電壓開(kāi)始由普通的400V轉(zhuǎn)向電動(dòng)巴士所采用的800V，甚至是更高的925V，以實(shí)現(xiàn)：

● 充電速度更快

● 電纜中的電流更小

● 動(dòng)力系統(tǒng)重量更輕、散熱更少

在此過(guò)程中，傳統(tǒng)牽引逆變器在效率、續(xù)航、成本和安全性等方面都遇到了瓶頸。王強(qiáng)認(rèn)為：“逆變器的傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于SiC的功率器件，使用SiC模塊替換舊有的IGBT模塊，以支持更高的母線高壓，進(jìn)而幫助電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，提升電池的續(xù)航能力。”

當(dāng)然，不管是基于IGBT模塊，還是基于SiC模塊，牽引逆變器解決方案都需要滿足ISO 26262《道路車輛功能安全》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)車輛發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)要保護(hù)用戶。

應(yīng)對(duì)ISO 26262要求  InnoSwitch3-AQ提供極高的可靠性

王強(qiáng)指出，ISO 26262要求在牽引逆變器中使用EPS（電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）。EPS在輔助電池失效的情況下，為車輛安全轉(zhuǎn)向和減速提供動(dòng)力，既要能夠在動(dòng)力電池電壓下工作，當(dāng)主電壓母線受到影響時(shí)，EPS需要在30 VDC(MIN)電壓的情況下也能夠繼續(xù)工作。

當(dāng)然，EPS在設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要滿足功能安全概念設(shè)計(jì)，比如防止電機(jī)產(chǎn)生自主扭矩，防止電機(jī)產(chǎn)生死鎖扭矩，以及防止電機(jī)不提供動(dòng)力等等，以上這些對(duì)元器件的穩(wěn)定性和可靠性提出了很高的要求。

適用于EPS的InnoSwitch3-AQ可以幫助設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。InnoSwitch3-AQ反激式開(kāi)關(guān)IC從高壓直流母線取電，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制和牽引控制器提供供電，能夠支持超寬輸入范圍：30至550V或30至925V母線電壓。

InnoSwitch3-AQ參考設(shè)計(jì)

InnoSwitch3-AQ采用Power Integrations的高速FluxLink?耦合技術(shù), 可在無(wú)需專用隔離變壓器檢測(cè)繞組和光耦的情況下,實(shí)現(xiàn)±3%的高精度輸入電壓和負(fù)載綜合調(diào)整率。集成的750 V MOSFET可滿足嚴(yán)格的汽車降額要求，片上同步整流控制器在標(biāo)稱400 VDC輸入電壓下可提供90%以上的效率。同時(shí)，InnoSwitch3-AQ系列IC符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，并在生產(chǎn)過(guò)程已通過(guò)IATF16949認(rèn)證，為系統(tǒng)提供完善的保護(hù)。

對(duì)于800V和電壓更高的母線應(yīng)用可選用StackFET?。適用于30V-925V輸入的30W外部電源DER-859Q就是采用tackFET?的類似設(shè)計(jì)，可以支持最高925 V母線電壓。

DER-859Q參考設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)和保護(hù)  助力基于SiC模塊的逆變器

上面已經(jīng)提到，采用基于SiC模塊的牽引逆變器對(duì)于電動(dòng)汽車而言是未來(lái)的大趨勢(shì)，Power Integrations為此提供了多方位的支持。除了InnoSwitch3-AQ，演講中王強(qiáng)還提到了SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器以及過(guò)壓保護(hù)和di/dt控制“AROC”。

SCALE-iDriver是適用于IGBT和SiC MOSFET的純電動(dòng)汽車(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)門極驅(qū)動(dòng)器解決方案，已通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并符合LV123標(biāo)準(zhǔn)。

其中，SIC1181KQ和SIC1182KQ是適用于BEV和PHEV牽引逆變器的SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器，前者適合350V/400V電池，后者適合800V電池。

SIC1181KQ和SIC1182KQ都集成了FluxLink技術(shù)，提供最高1200V加強(qiáng)絕緣，支持開(kāi)關(guān)頻率最高至150kHz，峰值輸出門極驅(qū)動(dòng)電流為±8A @TA = 125 °C，并提供完善的保護(hù)：

● 漏極-源極過(guò)壓保護(hù)

● 通過(guò)電阻串實(shí)現(xiàn)超快短路保護(hù) - 典型短路響應(yīng)時(shí)間<2μs

● 針對(duì)集成電流檢測(cè)/鏡像功能的SiC MOSFET，可實(shí)現(xiàn)過(guò)流關(guān)斷

● 原方和副方欠壓保護(hù)(UVLO)

SIC118xKQ驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在短路保護(hù)部分，王強(qiáng)重點(diǎn)介紹了過(guò)壓保護(hù)和di/dt控制“AROC”——Advanced Resistive Overvoltage Control（高級(jí)阻性過(guò)壓控制）。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，為了應(yīng)對(duì)短路情況不得不增大驅(qū)動(dòng)電阻。此妥協(xié)的后果是，在部分/滿負(fù)載工作狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗偏高。SIC1182K可優(yōu)化門極電阻，最大程度減小開(kāi)關(guān)損耗，提高短路關(guān)斷可靠性，可提高WLTP(全球輕型車測(cè)試規(guī)程)的效率。

有無(wú)“AROC”對(duì)比

總結(jié)

隨著電動(dòng)汽車對(duì)充電效率和續(xù)航里程的要求不斷提高，母線電壓升高是大勢(shì)所趨，這也伴隨著很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，基于SiC模塊的牽引逆變器是化解難題的“魔法棒”，而Power Integrations要做的就是讓其持續(xù)安全可靠。