汽车级IGBT/SiC模块驱动器应该怎么用？

 

 
就在德国纽伦堡PCIM Europe展会的最后一天，Power Integrations（PI）在线上举办新品沟通会，PI资深技术培训经理Jason Yan讲解了一个汽车级IGBT/SiC（碳化硅）模块驱动器系列产品——适用于Infineon EconoDUAL^TM模块的SCALE^TM EV系列栅极驱动板。
 
他表示，新款驱动器板同样适用于原装、仿制以及其他新的采用SiC的衍生模块，其应用范围包括电动汽车、混合动力和燃料电池汽车（包括巴士和卡车）以及建筑、采矿和农用设备的大功率汽车和牵引逆变器。
 
从功能安全说起
 
先看什么是功能安全？Jason Yan的解释是：“不存在由于电气和电子系统的故障或意外行为引起的危害而导致的不合理风险”，例如动力传动系统发生故障时，应该让车辆逐渐停下来，而不是突然锁死制动使控制失灵；动力转向故障也不应该导致转向完全失效，车辆仍可以通过努力实现转向。
 
他指出，电子系统引入汽车应用后，对整车安全形成了很大影响。世界上各大电动汽车厂商都致力于保证功能安全，使电动汽车有更高的安全性和可靠性，避免由于电气电子系统故障或意外行为引起的危害而导致不合理风险。功能安全定义的就是电气电子系统引起的伤害风险等级。
 
虽然ISO 26262是一个功能安全标准要求，并不是强制要求，但具有功能安全的电动汽车一定是安全性更高的。而汽车安全完整性等级（ASIL）是由汽车电子设备安全标准ISO 26262定义的风险分类方案，旨在确认系统强制故障以良性（安全）方式发生。功能安全通常涵盖以下车辆系统。
 

 
在具体方式上，可以通过主动放电在紧急情况下保护技术人员、乘客和应急工作人员的安全。例如，当电动汽车在高速公路上遇到碰撞等紧急情况，或动力转向出现故障时，将直流母线电容器电压放电至驱动系统中的安全电压（＜60V安全超低电压（SELV）），防止直流总线工作在400-1200V潜在致命电压；应急电源（EPS）也需要如法炮制。
 
为此，需要进行有源泄放或主动短路，以及主动放电。这可能需要栅极驱动器提供非正常工况下的驱动信号来产生短路（半桥中的两个开关都打开）的工作状态，以提供放电路径。在正常工作情况下，不允许上管和下管IGBT驱动器同时执行相同的开关操作指令。而在主动放电工作情况下，可利用驱动器对驱动信号加以调整，防止在此操作期间造成开关过热而损坏。
 
在紧急情况下，驱动电机应该用于制动而不是加速车辆。利用电机驱动控制改变驱动绕组的定时换向时间以对抗电机的旋转，可使电机施加反向扭矩，使其停止（利用主动短路功能将电机绕组短路）。
 

 
首款唯一通过汽车级认证的栅极驱动板
 
Jason Yan介绍说，SCALE™ EV是目前市场上首款唯一通过汽车级认证的栅极驱动板，内部集成了两个增强型栅极驱动通道、相关供电电源和监控遥测电路。它有助于厂商加快产品研发流程，简化产品认证时间。SCALE™ EV满足汽车级认证及ASIL安全要求，包括AEC Q100/101/200、ASIL-B 认证（ISO 26262），适用于ASIL-C/D牵引逆变器设计。
 

 
针对标准车规功率模块，SCALE™ EV同时支持耐压达1200V的IGBT或SiC MOSFET模块产品，适合于电动巴士、电动卡车、农用及建筑用车辆内部的牵引逆变器，也可以用于氢燃料电池变换器、电池储能或其他需要有更高车规认证可靠性要求的应用。
 
图中红色虚线内是低压部分。驱动板大小与模块的外形完全契合，使得模块与模块间的间距不受驱动板大小的影响，适合于紧凑型逆变器的设计。驱动板上高压与低压之间的绝缘等级满足加强绝缘要求。
 

 
SCALE EV性能详细解读
 
SCALE EV驱动的1200V耐压模块适合于400V和800V的母线系统，同时支持碳化硅MOSFET和基于硅的IGBT开关。其设计符合5500米海拔要求，爬电间距足够宽，且可提供三防漆服务选项，以满足技术上的洁净度要求。
 
Jason Yan表示，新产品在设计上优势明显，具备完善的先进保护功能，集成主动短路、对所连接直流母线电容的主动放电、通过主动栅极软关断控制实现过压限制，以及栅极监测、信号传输监测和芯片内温度监测等诊断功能。
 

 
驱动板的第一个功能是给开关提供驱动信号，根据不同功率开关对元器件的参数进行调整达到所需的功率开关特性，并满足不同功率开关的故障保护响应时间要求。主动短路模式支持功能安全要求，对于SiC MOSFET开关的短路和过流响应时间小于1微秒，而IGBT开关的短路和过流响应时间小于3微秒。以上保护特性可以根据使用IGBT和MOS管的不同保护时间进行调整。


 
驱动板的第二个功能是隔离，搭配的英飞凌的功率模块耐压是1200伏，还有氢燃料电池变换器电池储能等更高车规认证应用也可以用这样的组合。汽车级认证可满足电动汽车生产厂家直接购买逆变器组装的需求，特别是提高到800伏的电动汽车母线电压，使用非常方便。
 
驱动板的第三个功能是保护，因为功率开关的电压比较高，流过的电流也很大，所以在任何故障情况下都必须尽快提供一个保护信号。器件的数字遥测端口可提供故障诊断及故障信息，通过隔离的NTC温度测量、栅极信号翻转监测，以比特流方式将IGBT退出饱和区的故障情况传给主控制器，以决定如何处理故障。此外，利用IGBT对DC母线电容的主动放电可节省50-100个外围元件。
 
Jason Yan强调，之所以采用三个半桥模块，是因为要保证故障的冗余特性。即使一组有问题，另外两组还可以保证直流母线电压能够放电。逆变器通常是由多个半桥构成，利用半桥中上管和下管同时开通泄放直流母线电压，有助于实现有效的主动放电功能。
 
SCALE EV板的接口连接简单可靠，双连接器支持功能安全要求，两个连接器分别接上管和下管驱动。正常工作期间，有两个连接器连接板子，即使一个上管连接器断开，下管还可以继续工作，而不会使整个半桥失去功能，因为两个连接器都发生故障的概率很小。
 

 
PI为SCALE EV提供了全面的技术支持，包括包括数据手册、驱动板安装压接工具的CAD设计文件、RDHP-2250Q接口板以及与其相配的PC驱动板调测软件。
 
可以为客户定制
 
Jason Yan最后说，SCALE EV方案目前只有一个可用型号——2SP0215F2Q0C，适合通用EconoDUAL™ 模块。如果客户有特殊模块，比如内部集成碳化硅的功率模块或其他型号的IGBT模块或SiC模块，也可以根据其特性对开关特性进行调整。甚至可以按照新模块的尺寸重新设计驱动板。目前的SCALE EV产品将于2022第四季度进入全面量产。