【導(dǎo)讀】就在德國紐倫堡PCIM Europe展會(huì)的最后一天，Power Integrations（PI）在線上舉辦新品溝通會(huì)，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan講解了一個(gè)汽車級(jí)IGBT/SiC（碳化硅）模塊驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品——適用于Infineon EconoDUALTM模塊的SCALETM EV系列柵極驅(qū)動(dòng)板。
他表示，新款驅(qū)動(dòng)器板同樣適用于原裝、仿制以及其他新的采用SiC的衍生模塊，其應(yīng)用范圍包括電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力和燃料電池汽車（包括巴士和卡車）以及建筑、采礦和農(nóng)用設(shè)備的大功率汽車和牽引逆變器。
從功能安全說起
先看什么是功能安全？Jason Yan的解釋是：“不存在由于電氣和電子系統(tǒng)的故障或意外行為引起的危害而導(dǎo)致的不合理風(fēng)險(xiǎn)”，例如動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該讓車輛逐漸停下來，而不是突然鎖死制動(dòng)使控制失靈；動(dòng)力轉(zhuǎn)向故障也不應(yīng)該導(dǎo)致轉(zhuǎn)向完全失效，車輛仍可以通過努力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
他指出，電子系統(tǒng)引入汽車應(yīng)用后，對(duì)整車安全形成了很大影響。世界上各大電動(dòng)汽車廠商都致力于保證功能安全，使電動(dòng)汽車有更高的安全性和可靠性，避免由于電氣電子系統(tǒng)故障或意外行為引起的危害而導(dǎo)致不合理風(fēng)險(xiǎn)。功能安全定義的就是電氣電子系統(tǒng)引起的傷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
雖然ISO 26262是一個(gè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求，并不是強(qiáng)制要求，但具有功能安全的電動(dòng)汽車一定是安全性更高的。而汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）是由汽車電子設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262定義的風(fēng)險(xiǎn)分類方案，旨在確認(rèn)系統(tǒng)強(qiáng)制故障以良性（安全）方式發(fā)生。功能安全通常涵蓋以下車輛系統(tǒng)。
在具體方式上，可以通過主動(dòng)放電在緊急情況下保護(hù)技術(shù)人員、乘客和應(yīng)急工作人員的安全。例如，當(dāng)電動(dòng)汽車在高速公路上遇到碰撞等緊急情況，或動(dòng)力轉(zhuǎn)向出現(xiàn)故障時(shí)，將直流母線電容器電壓放電至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的安全電壓（＜60V安全超低電壓（SELV）），防止直流總線工作在400-1200V潛在致命電壓；應(yīng)急電源（EPS）也需要如法炮制。
為此，需要進(jìn)行有源泄放或主動(dòng)短路，以及主動(dòng)放電。這可能需要柵極驅(qū)動(dòng)器提供非正常工況下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來產(chǎn)生短路（半橋中的兩個(gè)開關(guān)都打開）的工作狀態(tài)，以提供放電路徑。在正常工作情況下，不允許上管和下管IGBT驅(qū)動(dòng)器同時(shí)執(zhí)行相同的開關(guān)操作指令。而在主動(dòng)放電工作情況下，可利用驅(qū)動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以調(diào)整，防止在此操作期間造成開關(guān)過熱而損壞。
在緊急情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該用于制動(dòng)而不是加速車輛。利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制改變驅(qū)動(dòng)繞組的定時(shí)換向時(shí)間以對(duì)抗電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，可使電機(jī)施加反向扭矩，使其停止（利用主動(dòng)短路功能將電機(jī)繞組短路）。
首款唯一通過汽車級(jí)認(rèn)證的柵極驅(qū)動(dòng)板
Jason Yan介紹說，SCALE? EV是目前市場(chǎng)上首款唯一通過汽車級(jí)認(rèn)證的柵極驅(qū)動(dòng)板，內(nèi)部集成了兩個(gè)增強(qiáng)型柵極驅(qū)動(dòng)通道、相關(guān)供電電源和監(jiān)控遙測(cè)電路。它有助于廠商加快產(chǎn)品研發(fā)流程，簡(jiǎn)化產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)間。SCALE? EV滿足汽車級(jí)認(rèn)證及ASIL安全要求，包括AEC Q100/101/200、ASIL-B 認(rèn)證（ISO 26262），適用于ASIL-C/D牽引逆變器設(shè)計(jì)。
針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車規(guī)功率模塊，SCALE? EV同時(shí)支持耐壓達(dá)1200V的IGBT或SiC MOSFET模塊產(chǎn)品，適合于電動(dòng)巴士、電動(dòng)卡車、農(nóng)用及建筑用車輛內(nèi)部的牽引逆變器，也可以用于氫燃料電池變換器、電池儲(chǔ)能或其他需要有更高車規(guī)認(rèn)證可靠性要求的應(yīng)用。
圖中紅色虛線內(nèi)是低壓部分。驅(qū)動(dòng)板大小與模塊的外形完全契合，使得模塊與模塊間的間距不受驅(qū)動(dòng)板大小的影響，適合于緊湊型逆變器的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)板上高壓與低壓之間的絕緣等級(jí)滿足加強(qiáng)絕緣要求。
SCALE EV性能詳細(xì)解讀
SCALE EV驅(qū)動(dòng)的1200V耐壓模塊適合于400V和800V的母線系統(tǒng)，同時(shí)支持碳化硅MOSFET和基于硅的IGBT開關(guān)。其設(shè)計(jì)符合5500米海拔要求，爬電間距足夠?qū)?，且可提供三防漆服?wù)選項(xiàng)，以滿足技術(shù)上的潔凈度要求。
Jason Yan表示，新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上優(yōu)勢(shì)明顯，具備完善的先進(jìn)保護(hù)功能，集成主動(dòng)短路、對(duì)所連接直流母線電容的主動(dòng)放電、通過主動(dòng)?xùn)艠O軟關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn)過壓限制，以及柵極監(jiān)測(cè)、信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)和芯片內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)等診斷功能。
驅(qū)動(dòng)板的第一個(gè)功能是給開關(guān)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，根據(jù)不同功率開關(guān)對(duì)元器件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整達(dá)到所需的功率開關(guān)特性，并滿足不同功率開關(guān)的故障保護(hù)響應(yīng)時(shí)間要求。主動(dòng)短路模式支持功能安全要求，對(duì)于SiC MOSFET開關(guān)的短路和過流響應(yīng)時(shí)間小于1微秒，而IGBT開關(guān)的短路和過流響應(yīng)時(shí)間小于3微秒。以上保護(hù)特性可以根據(jù)使用IGBT和MOS管的不同保護(hù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。
驅(qū)動(dòng)板的第二個(gè)功能是隔離，搭配的英飛凌的功率模塊耐壓是1200伏，還有氫燃料電池變換器電池儲(chǔ)能等更高車規(guī)認(rèn)證應(yīng)用也可以用這樣的組合。汽車級(jí)認(rèn)證可滿足電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家直接購買逆變器組裝的需求，特別是提高到800伏的電動(dòng)汽車母線電壓，使用非常方便。
驅(qū)動(dòng)板的第三個(gè)功能是保護(hù)，因?yàn)楣β书_關(guān)的電壓比較高，流過的電流也很大，所以在任何故障情況下都必須盡快提供一個(gè)保護(hù)信號(hào)。器件的數(shù)字遙測(cè)端口可提供故障診斷及故障信息，通過隔離的NTC溫度測(cè)量、柵極信號(hào)翻轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)，以比特流方式將IGBT退出飽和區(qū)的故障情況傳給主控制器，以決定如何處理故障。此外，利用IGBT對(duì)DC母線電容的主動(dòng)放電可節(jié)省50-100個(gè)外圍元件。
Jason Yan強(qiáng)調(diào)，之所以采用三個(gè)半橋模塊，是因?yàn)橐ＷC故障的冗余特性。即使一組有問題，另外兩組還可以保證直流母線電壓能夠放電。逆變器通常是由多個(gè)半橋構(gòu)成，利用半橋中上管和下管同時(shí)開通泄放直流母線電壓，有助于實(shí)現(xiàn)有效的主動(dòng)放電功能。
SCALE EV板的接口連接簡(jiǎn)單可靠，雙連接器支持功能安全要求，兩個(gè)連接器分別接上管和下管驅(qū)動(dòng)。正常工作期間，有兩個(gè)連接器連接板子，即使一個(gè)上管連接器斷開，下管還可以繼續(xù)工作，而不會(huì)使整個(gè)半橋失去功能，因?yàn)閮蓚€(gè)連接器都發(fā)生故障的概率很小。
PI為SCALE EV提供了全面的技術(shù)支持，包括包括數(shù)據(jù)手冊(cè)、驅(qū)動(dòng)板安裝壓接工具的CAD設(shè)計(jì)文件、RDHP-2250Q接口板以及與其相配的PC驅(qū)動(dòng)板調(diào)測(cè)軟件。
可以為客戶定制
Jason Yan最后說，SCALE EV方案目前只有一個(gè)可用型號(hào)——2SP0215F2Q0C，適合通用EconoDUAL? 模塊。如果客戶有特殊模塊，比如內(nèi)部集成碳化硅的功率模塊或其他型號(hào)的IGBT模塊或SiC模塊，也可以根據(jù)其特性對(duì)開關(guān)特性進(jìn)行調(diào)整。甚至可以按照新模塊的尺寸重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板。目前的SCALE EV產(chǎn)品將于2022第四季度進(jìn)入全面量產(chǎn)。
來源：PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，作者劉洪
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