【導(dǎo)讀】就在德國紐倫堡PCIM Europe展會的最后一天，Power Integrations（PI）在線上舉辦新品溝通會，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan講解了一個汽車級IGBT/SiC（碳化硅）模塊驅(qū)動器系列產(chǎn)品——適用于Infineon EconoDUALTM模塊的SCALETM EV系列柵極驅(qū)動板。
他表示，新款驅(qū)動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)用范圍包括電動汽車、混合動力和燃料電池汽車（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”，例如動力傳動系統(tǒng)發(fā)生故障時，應(yīng)該讓車輛逐漸停下來，而不是突然鎖死制動使控制失靈；動力轉(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現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
他指出，電子系統(tǒng)引入汽車應(yīng)用后，對整車安全形成了很大影響。世界上各大電動汽車廠商都致力于保證功能安全，使電動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。功能安全定義的就是電氣電子系統(tǒng)引起的傷害風(fēng)險等級。
雖然ISO 26262是一個功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求，并不是強制要求，但具有功能安全的電動汽車一定是安全性更高的。而汽車安全完整性等級（ASIL）是由汽車電子設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262定義的風(fēng)險分類方案，旨在確認(rèn)系統(tǒng)強制故障以良性（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)電動汽車在高速公路上遇到碰撞等緊急情況，或動力轉(zhuǎn)向出現(xiàn)故障時，將直流母線電容器電壓放電至驅(qū)動系統(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)行有源泄放或主動短路，以及主動放電。這可能需要柵極驅(qū)動器提供非正常工況下的驅(qū)動信號來產(chǎn)生短路（半橋中的兩個開關(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)動器同時執(zhí)行相同的開關(guān)操作指令。而在主動放電工作情況下，可利用驅(qū)動器對驅(qū)動信號加以調(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)動電機應(yīng)該用于制動而不是加速車輛。利用電機驅(qū)動控制改變驅(qū)動繞組的定時換向時間以對抗電機的旋轉(zhuǎn)，可使電機施加反向扭矩，使其停止（利用主動短路功能將電機繞組短路）。
首款唯一通過汽車級認(rèn)證的柵極驅(qū)動板
Jason Yan介紹說，SCALE? EV是目前市場上首款唯一通過汽車級認(rèn)證的柵極驅(qū)動板，內(nèi)部集成了兩個增強型柵極驅(qū)動通道、相關(guān)供電電源和監(jiān)控遙測電路。它有助于廠商加快產(chǎn)品研發(fā)流程，簡化產(chǎn)品認(rèn)證時間。SCALE? EV滿足汽車級認(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。
針對標(biāo)準(zhǔn)車規(guī)功率模塊，SCALE? EV同時支持耐壓達(dá)1200V的IGBT或SiC MOSFET模塊產(chǎn)品，適合于電動巴士、電動卡車、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)動板大小的影響，適合于緊湊型逆變器的設(shè)計。驅(qū)動板上高壓與低壓之間的絕緣等級滿足加強絕緣要求。
SCALE EV性能詳細(xì)解讀
SCALE EV驅(qū)動的1200V耐壓模塊適合于400V和800V的母線系統(tǒng)，同時支持碳化硅MOSFET和基于硅的IGBT開關(guān)。其設(shè)計符合5500米海拔要求，爬電間距足夠?qū)?，且可提供三防漆服?wù)選項，以滿足技術(shù)上的潔凈度要求。
Jason Yan表示，新產(chǎn)品在設(shè)計上優(yōu)勢明顯，具備完善的先進(jìn)保護(hù)功能，集成主動短路、對所連接直流母線電容的主動放電、通過主動?xùn)艠O軟關(guān)斷控制實現(xiàn)過壓限制，以及柵極監(jiān)測、信號傳輸監(jiān)測和芯片內(nèi)溫度監(jiān)測等診斷功能。
驅(qū)動板的第一個功能是給開關(guān)提供驅(qū)動信號，根據(jù)不同功率開關(guān)對元器件的參數(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)時間要求。主動短路模式支持功能安全要求，對于SiC MOSFET開關(guān)的短路和過流響應(yīng)時間小于1微秒，而IGBT開關(guān)的短路和過流響應(yīng)時間小于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)時間進(jìn)行調(diào)整。
驅(qū)動板的第二個功能是隔離，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。汽車級認(rèn)證可滿足電動汽車生產(chǎn)廠家直接購買逆變器組裝的需求，特別是提高到800伏的電動汽車母線電壓，使用非常方便。
驅(qū)動板的第三個功能是保護(hù)，因為功率開關(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保護(hù)信號。器件的數(shù)字遙測端口可提供故障診斷及故障信息，通過隔離的NTC溫度測量、柵極信號翻轉(zhuǎn)監(jiān)測，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DC母線電容的主動放電可節(jié)省50-100個外圍元件。
Jason Yan強調(diào)，之所以采用三個半橋模塊，是因為要保證故障的冗余特性。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半橋構(gòu)成，利用半橋中上管和下管同時開通泄放直流母線電壓，有助于實現(xiàn)有效的主動放電功能。
SCALE EV板的接口連接簡單可靠，雙連接器支持功能安全要求，兩個連接器分別接上管和下管驅(qū)動。正常工作期間，有兩個連接器連接板子，即使一個上管連接器斷開，下管還可以繼續(xù)工作，而不會使整個半橋失去功能，因為兩個連接器都發(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、驅(qū)動板安裝壓接工具的CAD設(shè)計文件、RDHP-2250Q接口板以及與其相配的PC驅(qū)動板調(diào)測軟件。
可以為客戶定制
Jason Yan最后說，SCALE EV方案目前只有一個可用型號——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的IGBT模塊或SiC模塊，也可以根據(jù)其特性對開關(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)計驅(qū)動板。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 ，作者劉洪
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