车载逆变器-车载逆变器设想计划和布局优化手艺计划详解-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2018-05-17
跟着油电夹杂车和电动车手艺的演进，逆变器驱动手艺已进入汽车范畴，从空调机和加热体系等低功率操纵，一向到驱动和再生制动体系等高功率操纵，一切这些体系的共通点是须要经由进程掩护逆变器设想中的功率开关晶体管来最大限定地进步任务寿命。
汽车体系中的逆变器为电念头节制电源的关头部件，它能够把绝对较低的直流电池电压转换成为交换高电压，此中操纵功率开关来调理能量的递送，请参考图1。经由进程微节制器送出开关旌旗灯号，并操纵断绝门驱动器作为低电压微节制器和高电压功率开关间的接口。
很多新形状的功率开关，如碳化硅，都被评价是不是能够操纵于汽车逆变器中，但今朝最具合作力的仍是IGBT。久长以来，这些功率晶体管已被普遍操纵于高电压和高功率的处置上，但在成长进程中却存在毛病谬误，为了把IGBT中的功率消耗降到最低，新一代的IGBT产物追求下降开关和传导消耗，不过，为了下降通报消耗，凡是必须在巩固性上做出妥协。
图1 汽车体系中的逆变器操纵功率开关IGBT器件节制电念头电源，但这些器件必须加以掩护以确保永劫间的任务寿命。
下降IGBT传导消耗凡是会激发短路电流的增添，从而缩减短路的存活时候，很多逆变器的外部或外部毛病环境会形成逆变器中一或多个IGBT短路或近似短路的过载环境，包罗相位到相位输入短路、逆变器桥接脚的过冲，和IGBT低驱动电压。因为IGBT会因这些毛病而遭到粉碎，是以对逆变器设想，疾速并且靠得住的IGBT短路检测和掩护就变得很是首要。
但并非一切这些毛病都能够操纵相位电流传感器停止检测，一个比拟好的替换做法是别离自力检测每个IGBT的负载电流巨细。检测负载电流巨细有几个体例，如操纵分流电阻或射极分手的IGBT，能够发生反比于IGBT负载电流的电压旌旗灯号，当旌旗灯号跨越设定的阀值巨细时就会触发掩护机制。不过IGBT的最大可容忍电流会依接纳的工艺、任务温度和门电压而定，是以在设定负载电流触发阀值时必须很是激进，以便限定IGBT的任务范围。
第三种做法是经由进程监督集电极到发射极的电压(VCE)来检测IGBT离开饱和状况的时候，在通俗任务环境下IGBT处于饱和情势而VCE低，当发生输入短路或低门极驱动环境时，IGBT会进入线性情势并且VCE回升，形胜利率消耗过大激发器件生效，检测这个去饱和(DESAT)环境能够到达和监督输入电流不异的毛病检测成果，但却有监督IGBT实在任务环境，有用下降很多内在身分搅扰的长处，带来IGBT更高功率的操纵。
图2 集成了毛病检测和软关断，Avago的ACPL-38JT IGBT门驱动光电耦合器能够处置能够粉碎逆变器功率开关的毛病环境和检测毛病划一首要的是，逆变器本身设想的毛病分辩才能，当检测到毛病环境时，极能够有较大的电流颠末，若是IGBT关断过于疾速，那末疾速的电流变更(di/dt)和无可防止的毗连寄生电感就有能够形成回流EMF跨越IGBT的最高电压容忍巨细，带来IGBT的粉碎并粉碎过电流掩护机制。这个题目能够经由进程完成IGBT的软关断来加重，操纵耽误毛病发生时的门极放电时候下降电压的变更速率。
毛病分辩才能也有着体系的考量，自动毛病检测能够设置装备摆设为同时关断一切其余门驱动来完成，别的一方面，毛病检测也可设想为每个IGBT自力停止毛病检测和关断，许可凡是较为合适汽车牵引操纵的缓和毛病处置和关断战略。自动毛病检测也能够包罗供给旌旗灯号给担任办理汽车能源体系的微节制器，带来额定的呼应挑选。
在汽车体系中完成这些毛病检测和IGBT掩护电路必须有几个关头点，包罗低本钱、小尺寸和巩固性。因为汽车操纵对品质和靠得住性的等候凡是要比其余很多花费类和产业操纵高上很多，是以巩固性很是首要，进一步说，在加倍卑劣的环境，包罗极广的任务温度前提和高幅射和感到电磁噪声下则必须具备更高的靠得住性。
高度集成计划，如图2中Avago的ACPL-38JT门驱动光电耦合器经由进程集成去饱合检测和欠压锁定(UVLO, Under Voltage LockOut)电路，和断绝的毛病旌旗灯号和软关断等多个功效到IGBT门驱动器中知足了一切这些须要。Avago的光断绝功效包罗环抱光领受器的通明法拉第屏障辅佐下降电磁噪声耦合，并操纵出格设想的LED确保低温前提下的更长任务寿命，内置的掩护电路能够节流数个分立器件而下降本钱，并经由进程处置一切毛病环境，包罗能够粉碎功率开关晶体管的低门驱动电压进步体系的靠得住性。
在门驱动和IGBT掩护电路上操纵单一集成器件也能够经由进程消弭分立器件生效点辅佐进步体系的靠得住性，别的，集成器件也可借由完全和经由进程事后测试的设想而有助于延长设想和经由进程羁系查抄时候。举例来讲，ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽车原则停止出产和测试，任务温度范围到达- 40℃到125℃。
跟着高功率电气体系在汽车设想中的脚色愈来愈加首要，毛病掩护成为确保永劫间任务寿命的必备前提，在逆变器设想中的功率开关操纵同时供给有检测和呼应机制的集成计划，能够经由进程松散、低本钱并且高靠得住性的体例知足这个须要。
汽车行业掀起了一场手艺变更：电动汽车(EV)和夹杂能源汽车(HEV)正直范围地投产，进入贸易化运作。这象征着接纳新型布局的汽车正在大批推出。从电子体系的角度来看，迄今为止用于电动汽车(EV)和夹杂能源汽车(HEV)的手艺首要源自在曩昔数十年间最初是针对产业操纵而开辟的各类处置计划。因为汽车行业在贸易上和手艺上都有差别于产业体系的特定请求，是以须要开辟公用的处置计划。
斟酌到传动体系，出格是逆变器，xEV的厂商将要应答三大挑衅：进步能效、下降本钱和终究知足功效性宁静请求。ISO26262规范的引入鞭策了对智能型、高性价比电子处置计划的须要。
图1代表了与永磁同步机电(PMSM)一路用于汽车的牵引逆变器的典范布局。它由三个首要局部组成：
高压(LV)侧的首要逻辑电路
与直流链接相连的IGBT功率模块。
驱动单位凡是由单个PCB组成，PCB的毗连应尽能够接近功率模块以最大水平下降IGBT栅极旌旗灯号通路中的寄生元件的数目。
每个IGBT均由栅极驱动器驱动，该驱动器的首要功效为：
供给高压和高压之间的电绝缘功效。一流的处置计划有赖于感到式、电容式断绝或光学断绝。
驱动IGBT栅极以使体系到达最高效力。这象征着器件应能够供给充足大的电流对栅极停止疾速充电和放电。为到达这一方针，常常在驱动器和IGBT之间设置后驱动单位（或升压单位）。
供给根基的掩护功效，如欠压锁定(UVLO)功效或去饱和掩护(DESAT)功效。
除上述这些功效，还对栅极驱动器提出了其余请求以到达宁静规范。此中一个首要宁静请求划定在显现毛病时体系应能够防止或限定机电在车轮发生过剩的力矩，如许不会显现司机没法节制车辆的环境。对非同步机电来讲，此类战略（绝对）易于安排，这是因为体系的宁静状况是经由进程翻开一切开关完成；IGBT是常态下处于关断状况的器件，是以宁静状况是逆变器的默许状况。
对永磁同步机电(PMSM)来讲，因为在高转速(RPM)下，磁鼓励能够致使过压，是以环境更加庞杂。这会致使逆变器组件遭到粉碎。比方基于机器子体系或斩波器的处置计划，数种体例在产业体系中经由进程操纵证实其可行性，从而限定低于逆变器额定值的过压环境。可是，这些撑持体系会发生额定本钱，致使这一处置计划对车用逆变器而言缺少现实可用性。
抗毛病自动短路(ASC)战略的安排能够完成体系的宁静方针。该战略确保在每个零丁的毛病环境下，逆变器经由进程短接机电相线可发生0矢量（或称为自动短路）。
在这类状况下发生的通俗制动转矩不会致使司机没法节制车辆。
为了具备抗毛病的鲁棒性，撑持自动短路(ASC)的布局有赖于：
冗余电源体系（凡是由直流链接供给），该体系确保驱动板的某些关头功效一直启用从而使IGBT坚持在翻开的状况。
监控IGBT的状况和时查抄从主逻辑电路到IGBT本身的PWM号令是不是具备分歧性。
在操纵性命周期中进步体系的可测试性，以跟踪体系的潜伏毛病。
分隔实行此类办法不只会明显增添资料清单本钱，并且还会增添驱动板PCB的尺寸，这在知足汽车外部的空间范围请求上会发生题目。
数字驱动器：须要办法
功效集成：每个新一代硅手艺都可晋升集成级别，象征着分立式功效能够在ASSP内集成。在很多汽车体系中均可发明相干的延续集成办法，出格是在传统的ECU上。
?功效叠加：ASC战略的实行依托超出电断绝妨碍传输一系列的旌旗灯号。因为栅极驱动器已内置了电断绝功效，是以是在电断绝通讯通道中对多个功效停止叠加的抱负挑选。
为完成功效集成与功效叠加，栅极驱动器必须数字化，最少局部数字化。这个办法能够经由进程向栅极驱动器增加数字接口完成。至高压首要逻辑电路的通讯链接将用于在体系启动时对器件停止设置装备摆设，供给每驱动器在运转时代的状况信息和触发侵入式体系检测。应注重，通讯链接并不必然要间接节制IGBT的开关行动，但能够视为惯例PWM号令的并行通道。鉴于此，规范中速通讯接口，如串连核心装备接口(SPI)，会是不错的挑选。
三种层级的诊断功效可接纳上述体例集成：
栅极驱动器层级：监督振荡器、电源、外部数据完全性等。
毛病注入层级：注入假定的毛病（如假造的DESAT事务），查验体系是不是能对此类事务做出准确反映。
旌旗灯号分歧性查验层级：经由进程SPI读取栅极驱动器发送和领遭到的旌旗灯号级别。
图3显现了经优化的逆变器布局。
一些分立式宁静功效已散布于体系的各个差别组件上。在驱动器中集成了进步前辈的IGBT状况监督器和栅极监督器。如许在逆变器任务进程中能够对IGBT状况停止及时监控。比方，经由进程扩大大师熟习的去饱和掩护功效，能够对IGBT停止监督。
凡是DESAT掩护功效在翻开状况下会对IGBT的Vce电压停止监督。当跨越电压阈值（凡是是9V）时,在检测到短路状况时，IGBT会自动关断。DESAT的扩大功效能够完成对Vce电压的延续监控。比拟器的成果被延续送往高压侧，信息以数字旌旗灯号的情势供给给高压逻辑电路。智能型高压逻辑电路接上去能够将IGBT状况与初始的PWM号令停止比拟。须要操纵提早功效与过滤器以弥补超出电断绝妨碍时的IGBT开关时候和传布时候。
在栅极驱动器内集成数字通讯通道与栅极监督器的长处将在以下章节中停止申明。
本节供给的宁静通道安排示例用于应答“高压电源缺失”的毛病环境。此通道安排接纳英飞凌新型栅极驱动器EiceDRIVER?SIL与后驱动单位EiceDRIVER?Boost（图4）
高压逻辑块领受来自高压侧的节制旌旗灯号，该旌旗灯号起着宣布进入ASC情势号令的感化。该节制旌旗灯号可经由进程栅极驱动器数字通道(DIO1/DIO2)超出电断绝妨碍停止传输。数字通道的低延时（凡是是2μs）可确保体系疾速反映。在一般任务时代经由进程数字通道传输的逻辑旌旗灯号电平应是非默许电平，凡是是高电平。高压电源一旦显现毛病，监督EiceDRIVER?SIL5V电源的欠压锁定(UVLO)功效将禁用DIO2旌旗灯号。
在完成对DIO2旌旗灯号的评价以后，高压逻辑电路将鉴定为ASC旌旗灯号。该旌旗灯号与升压器的公用输入审察连后将间接开启IGBT，不管栅极驱动器发送的是何种PWM号令。为防止栅极驱动器（在高压电源缺失环境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穿插电流，ASC旌旗灯号被毗连至栅极驱动器的OSD输入引脚。OSD引脚捉拿到的自动电平使输入单位（即栅极驱动器的输入端OUT）处于高阻抗状况（三态）。
由直流链接供给的告急电源确保在ASC临界前提下（即在高直流链接电压、机电高转速下）高压逻辑电路、高压[Lw1]局部高压侧驱动器和升压器一直获得有用15V(VCC2)电源的供电。可是，自动ASC情势应仅在直流链接可供给有用15V电源的环境下由体系启用。不然一旦VCC2起头显现低于临界电压的环境，IGBT将以线性情势任务，这能够形成器件较大消耗并终究能够因过热致使器件粉碎。
为防止这类环境，栅极驱动器的NUV2旌旗灯号在外部由UVLO2功效间接节制。NUV2的任务道理近似于开漏旌旗灯号。当有用的15V电源电压施加在栅极驱动器上时，NUV2显现高电阻状况。可是，当施加有用电源时，ASC旌旗灯号会被自动地驱往低层级。在并联状况下，将检测到OSD引脚，栅极驱动器的输入单位将加入三态情势。如许可确保IGBT疾速关断。
最初，应在操纵性命周期中（比方，在体系启动时）按期对宁静通道的一般操纵停止检测。为此栅极驱动器的栅极监督器功效包罗了一组比拟器，比拟器的状况可由SPI接口读取。接上去能够激活ASC旌旗灯号停止查验并查抄栅极电压是不是到达了准确的阈值。
多年来汽车电子体系的整体趋向一直这天益集成化：微节制器的计较机能大幅进步致使硬件功效不时被软件代替；近似地，数字化也鞭策了功效集成度不时进步，晋升了诊断功效。数字栅极驱动器的推出供给一系列新的能够性，能够经由进程有用体例到达将来逆变器体系的宁静方针。
起首，在栅极驱动器外部集成首要以分立情势阐扬感化的各类监控功效，可完成体系优化。其次，经由进程操纵旧式微节制器设想能够完成体系进一步优化。比方，作为微节制器中的HW扩大型核心装备的智能型IO监督器单位可将IGBT监督器收回的旌旗灯号情势与初始的PWM号令（在外部以冗余体例发生）停止比拟。如许低电压(5V)逻辑能够在体系显现毛病时矫捷地判定是在高压侧开关仍是在高压侧开关施加0矢量。将各类功效散布在微节制器和栅极驱动器可移除在今朝规范逆变器中操纵的扩大型组件，如FPGA与PLD。
接洽体例：邹师长教师（mos管厂家）
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