汽車行業(yè)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(guī)模地投產，進入商業(yè)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(tǒng)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(yè)應用而開發(fā)的各種解決方案。由于汽車行業(yè)在商業(yè)上和技術上都有不同于工業(yè)系統(tǒng)的特定要求，因此需要開發(fā)專用的解決方案。

考慮到傳動系統(tǒng)，特別是逆變器，xEV 的廠商將要應對三大挑戰(zhàn)：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(tǒng)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(guī)定在出現(xiàn)故障時系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的安全狀態(tài)是通過打開所有開關實現(xiàn);IGBT 是常態(tài)下處于關斷狀態(tài)的器件，因此安全狀態(tài)是逆變器的默認狀態(tài)。

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(tǒng)或斬波器的解決方案，數種方法在工業(yè)系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)(通常由直流鏈接提供)，該系統(tǒng)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(tài)。

• 監(jiān)控 IGBT 的狀態(tài)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(tǒng)的可測試性，以跟蹤系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)中均可發(fā)現(xiàn)相關的連續(xù)集成措施，特別是在傳統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)。至低壓主要邏輯電路的通信鏈接將用于在系統(tǒng)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(tài)信息以及觸發(fā)侵入式系統(tǒng)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(guī) PWM 命令的并行通道。鑒于此，標準中速通信接口，如串聯(lián)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(jiān)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(tǒng)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(fā)送和接收到的信號級別。

圖3 顯示了經優(yōu)化的逆變器結構。

一些分立式安全功能已分布于系統(tǒng)的各個不同組件上。在驅動器中集成了先進的 IGBT 狀態(tài)監(jiān)視器和柵極監(jiān)視器。這樣在逆變器工作過程中可以對 IGBT 狀態(tài)進行實時監(jiān)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(jiān)視。

通常 DESAT 保護功能在打開狀態(tài)下會對 IGBT 的 Vce 電壓進行監(jiān)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(xiàn)對 Vce 電壓的持續(xù)監(jiān)控。比較器的結果被持續(xù)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(tài)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(jiān)視器的優(yōu)點[!--empirenews.page--]

將在以下章節(jié)中進行說明。

安全通道部署

本節(jié)提供的安全通道部署示例用于應對“低壓電源缺失”的故障情況。此通道部署采用英飛凌新型柵極驅動器 EiceDRIVER™SIL 與后驅動單元 EiceDRIVER™Boost (圖 4)

高壓邏輯塊接收來自低壓側的控制信號，該信號起著發(fā)布進入 ASC 模式命令的作用。該控制信號可通過柵極驅動器數字通道 (DIO1 / DIO2) 越過電隔離障礙進行傳輸。數字通道的低延時(通常是 2µs)可確保系統(tǒng)快速反應。 在正常工作期間通過數字通道傳輸的邏輯信號電平應是非默認電平，通常是高電平。低壓電源一旦出現(xiàn)錯誤，監(jiān)視 EiceDRIVER™SIL 5V 電源的欠壓鎖定 (UVLO) 功能

將禁用 DIO2 信號。

在完成對 DIO2 信號的評估之后，高壓邏輯電路將判定為 ASC 信號。該信號與升壓器的專用輸出端相連后將直接開啟 IGBT，不論柵極驅動器發(fā)送的是何種 PWM 命令。為防止柵極驅動器(在低壓電源缺失情況下柵極驅動器自動會試圖關斷 IGBT)與開啟 IGBT 的升壓器之間流經高交叉電流，ASC 信號被連接至柵極驅動器的 OSD 輸出引腳。OSD 引腳捕捉到的主動電平使輸出單元(即柵極驅動器的輸出端 OUT)處于高阻抗狀態(tài)(三態(tài))。

由直流鏈接提供的緊急電源確保在 ASC 臨界條件下(即在高直流鏈接電壓、電機高轉速下)高壓邏輯電路、高壓[Lw1]部分低壓側驅動器和升壓器始終得到有效 15V (VCC2) 電源的供電。但是，主動 ASC 模式應僅在直流鏈接可提供有效 15V 電源的情況下由系統(tǒng)啟用。否則一旦 VCC2 開始出現(xiàn)低于臨界電壓的情況，IGBT 將以線性模式工作，這可能造成器件較大損耗并最終可能因過熱導致器件損壞。

為避免這種情況，柵極驅動器的 NUV2 信號在內部由 UVLO2 功能直接控制。NUV2 的工作原理類似于開漏信號。當有效的15V 電源電壓施加在柵極驅動器上時， NUV2 呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。但是，當施加無效電源時，ASC 信號會被主動地驅往低層級。在并聯(lián)狀態(tài)下，將檢測到 OSD 引腳，柵極驅動器的輸出單元將退出三態(tài)模式。這樣可確保 IGBT 快速關斷。

最后，應在應用生命周期中(例如，在系統(tǒng)啟動時)定期對安全通道的正常使用進行檢測。為此柵極驅動器的柵極監(jiān)視器功能包含了一組比較器，比較器的狀態(tài)可由 SPI 接口讀取。接下來可以激活 ASC 信號進行檢驗并檢查柵極電壓是否達到了正確的閾值。

結論與概覽

多年來汽車電子系統(tǒng)的總體趨勢始終是日益集成化：微控制器的計算性能大幅提高導致硬件功能不斷被軟件取代;類似地，數字化也推動了功能集成度不斷提高，提升了診斷功能。數字柵極驅動器的推出提供一系列新的可能性，可以通過有效方式達到未來逆變器系統(tǒng)的安全目標。

首先，在柵極驅動器內部集成主要以分立形式發(fā)揮作用的各種監(jiān)控功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。其次，通過利用新式微控制器設計可以實現(xiàn)系統(tǒng)進一步優(yōu)化。例如，作為微控制器中的 HW 擴展型外圍設備的智能型 IO 監(jiān)視器單元可將 IGBT 監(jiān)視器發(fā)出的信號模式與初始的 PWM 命令(在內部以冗余方式產生)進行比較。這樣低電壓 (5V) 邏輯可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時靈活地判斷是在低壓側開關還是在高壓側開關施加 0 矢量。將各種功能分布在微控制器和柵極驅動器可移除在目前標準逆變器中使用的擴展型組件，如 FPGA 與 PLD。