多措并舉，Power Integrations讓牽引逆變器更安全可靠

牽引逆變器是幫助純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)實(shí)現能量轉化和傳輸的重要裝置，其運行的穩定性直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力輸出和續航。

2020年11月30日，在中國國際汽車(chē)電子高峰論壇上，Power Integrations大功率FAE經(jīng)理王強作主題演講——《提高牽引逆變器安全可靠性的IC解決方案》，重點(diǎn)介紹了如何借助Power Integrations的IC解決方案打造更安全可靠的電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器。

中國國際汽車(chē)電子高峰論壇由上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )、中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區管理委員會(huì )指導，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì )主辦，ASPENCORE合辦，邀請了整車(chē)廠(chǎng)商、Tier 1零部件供應商、汽車(chē)半導體廠(chǎng)商和智能駕駛開(kāi)發(fā)商等業(yè)界專(zhuān)家，共同探討汽車(chē)電子的設計、供應鏈、測試及質(zhì)量控制等熱門(mén)話(huà)題。

從IGBT到SiC MOSFET  支持更高的母線(xiàn)電壓

當前，電動(dòng)汽車(chē)演進(jìn)的方向和用戶(hù)需求是一致的，那就是充電更快、續航更遠。電動(dòng)汽車(chē)的母線(xiàn)電壓開(kāi)始由普通的400V轉向電動(dòng)巴士所采用的800V，甚至是更高的925V，以實(shí)現：

● 充電速度更快

● 電纜中的電流更小

● 動(dòng)力系統重量更輕、散熱更少

在此過(guò)程中，傳統牽引逆變器在效率、續航、成本和安全性等方面都遇到了瓶頸。王強認為：“逆變器的傳動(dòng)系統開(kāi)始轉向基于SiC的功率器件，使用SiC模塊替換舊有的IGBT模塊，以支持更高的母線(xiàn)高壓，進(jìn)而幫助電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統實(shí)現更高的功率密度，提升電池的續航能力?！?/p>

當然，不管是基于IGBT模塊，還是基于SiC模塊，牽引逆變器解決方案都需要滿(mǎn)足ISO 26262《道路車(chē)輛功能安全》國際標準，當車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，系統要保護用戶(hù)。

應對ISO 26262要求  InnoSwitch3-AQ提供極高的可靠性

王強指出，ISO 26262要求在牽引逆變器中使用EPS（電子助力轉向系統）。EPS在輔助電池失效的情況下，為車(chē)輛安全轉向和減速提供動(dòng)力，既要能夠在動(dòng)力電池電壓下工作，當主電壓母線(xiàn)受到影響時(shí)，EPS需要在30 VDC(MIN)電壓的情況下也能夠繼續工作。

當然，EPS在設計過(guò)程中也需要滿(mǎn)足功能安全概念設計，比如防止電機產(chǎn)生自主扭矩，防止電機產(chǎn)生死鎖扭矩，以及防止電機不提供動(dòng)力等等，以上這些對元器件的穩定性和可靠性提出了很高的要求。

適用于EPS的InnoSwitch3-AQ可以幫助設計者應對這些挑戰。InnoSwitch3-AQ反激式開(kāi)關(guān)IC從高壓直流母線(xiàn)取電，為驅動(dòng)電機控制和牽引控制器提供供電，能夠支持超寬輸入范圍：30至550V或30至925V母線(xiàn)電壓。

InnoSwitch3-AQ參考設計

InnoSwitch3-AQ采用Power Integrations的高速FluxLink?耦合技術(shù), 可在無(wú)需專(zhuān)用隔離變壓器檢測繞組和光耦的情況下,實(shí)現±3%的高精度輸入電壓和負載綜合調整率。集成的750 V MOSFET可滿(mǎn)足嚴格的汽車(chē)降額要求，片上同步整流控制器在標稱(chēng)400 VDC輸入電壓下可提供90%以上的效率。同時(shí)，InnoSwitch3-AQ系列IC符合AEC-Q100標準，并在生產(chǎn)過(guò)程已通過(guò)IATF16949認證，為系統提供完善的保護。

對于800V和電壓更高的母線(xiàn)應用可選用StackFET?。適用于30V-925V輸入的30W外部電源DER-859Q就是采用tackFET?的類(lèi)似設計，可以支持最高925 V母線(xiàn)電壓。

DER-859Q參考設計

驅動(dòng)和保護  助力基于SiC模塊的逆變器

上面已經(jīng)提到，采用基于SiC模塊的牽引逆變器對于電動(dòng)汽車(chē)而言是未來(lái)的大趨勢，Power Integrations為此提供了多方位的支持。除了InnoSwitch3-AQ，演講中王強還提到了SiC MOSFET門(mén)極驅動(dòng)器以及過(guò)壓保護和di/dt控制“AROC”。

SCALE-iDriver是適用于IGBT和SiC MOSFET的純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)門(mén)極驅動(dòng)器解決方案，已通過(guò)AEC-Q100認證1級標準，并符合LV123標準。

其中，SIC1181KQ和SIC1182KQ是適用于BEV和PHEV牽引逆變器的SiC MOSFET門(mén)極驅動(dòng)器，前者適合350V/400V電池，后者適合800V電池。

SIC1181KQ和SIC1182KQ都集成了FluxLink技術(shù)，提供最高1200V加強絕緣，支持開(kāi)關(guān)頻率最高至150kHz，峰值輸出門(mén)極驅動(dòng)電流為±8A @TA = 125 °C，并提供完善的保護：

● 漏極-源極過(guò)壓保護

● 通過(guò)電阻串實(shí)現超快短路保護 - 典型短路響應時(shí)間<2μs

● 針對集成電流檢測/鏡像功能的SiC MOSFET，可實(shí)現過(guò)流關(guān)斷

● 原方和副方欠壓保護(UVLO)

SIC118xKQ驅動(dòng)設計

在短路保護部分，王強重點(diǎn)介紹了過(guò)壓保護和di/dt控制“AROC”——Advanced Resistive Overvoltage Control（高級阻性過(guò)壓控制）。

在現實(shí)應用中，為了應對短路情況不得不增大驅動(dòng)電阻。此妥協(xié)的后果是，在部分/滿(mǎn)負載工作狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗偏高。SIC1182K可優(yōu)化門(mén)極電阻，最大程度減小開(kāi)關(guān)損耗，提高短路關(guān)斷可靠性，可提高WLTP(全球輕型車(chē)測試規程)的效率。

有無(wú)“AROC”對比

總結

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)對充電效率和續航里程的要求不斷提高，母線(xiàn)電壓升高是大勢所趨，這也伴隨著(zhù)很多設計挑戰，基于SiC模塊的牽引逆變器是化解難題的“魔法棒”，而Power Integrations要做的就是讓其持續安全可靠。