符合功能安全要求的電動/混合動力汽車用IGBT 門級驅動器

汽車的電力驅動正在逐漸成為現實。大量的電動汽車（EVs）和混合動力電動汽車（HEVs）目前正在被生產出來應用于大規模的商業化。這對汽車上的所有電氣系統均具有巨大影響，相對傳統燃油車輛，巨大的變革對效率、規模、安全性和成本具有極大的挑戰。這意味著我們必須同時在微觀的電子元器件層面和宏觀的整車系統架構層拓展出新的概念。英飛凌為汽車電力驅動應用提供了豐富產品組合，其中包括微控制器、柵極驅動器和IGBT功率模塊。這些產品組合可支持電動汽車和混合動力汽車系統解決方案的開發。

IGBT門級驅動器的基本功能

逆變器主要組成部分包括兩部分（如圖1）高功率的IGBT模塊和由12V電池供電控制邏輯。當前典型的技術是通過一個集成的隔離驅動器，隔離邏輯電路和功率模塊，并驅動IGBT模塊，這就是所謂的IGBT門級驅動器。

柵極驅動器的主要功能是提供必要的電壓和電流信號，以有效的驅動和關斷IGBT。驅動IC的最大輸出電流通常是利用外部推挽輸出電路予以提升的。例如，英飛凌的汽車級EiceDRIVER?系列（1ED020I12FA2，1ED020I12FTA 和 2ED020I12FA）驅動電流2A，這意味著它已經可以直接驅動小型MOSFET和IGBT功率模塊。如外加推挽電路會進一步增加電流能力。

此外，必須對低電壓和高電壓域進行電氣隔離。英飛凌為此開發出一項空芯變壓器技術（CLT）。CLT將變壓器的兩個線圈集成到一個集成電路中。以電感為基礎實現數據傳輸的雙向傳輸：微控制器的PWM控制信號可以透過電隔離屏障傳送至IGBT，而反饋信號可以被送回設備的低壓側（微處理器側）。與其它隔離技術相比，CLT具有多項優勢：它在使用壽命內不會發生在光耦合器中通常出現的降解退化；它具有高抗電磁干擾和瞬變能力；并且可以很容易地應用到標準芯片生產過程中。與離散解決方案相比，可以顯著降低系統成本。還支持在設備上集成更多的功能。

第二代柵極驅動器支持更多的功能集成

ISO 26262標準的推出意味著未來的牽引逆變器必須符合上至AIL C或D的最高安全標 準。其中一個主要的安全要求規定，在發生故障時，系統應防止或限制產生不必要的車輪扭矩。這一頂級要求對使用的組件具有直接影響。為了滿足越來越嚴苛的需求，英飛凌開發出了新一代的柵極驅動器和升壓器：EiceDRIVER? SIL(1EDI2001AS，1EDI2002AS)和EiceDRIVER? Boost（1EBN1001AE）。EiceDRIVER SIL標志著邁向功能一體化的又一重大步驟。它包括一個標準的中速（2 Msps）串行外設接口（SPI）總線。總線在系統啟動時用于配置設備,在運行過程中提供狀態信息反饋到邏輯控制單元。SPI無需直接控制IGBT的開關行為；相反，它是正常PWM命令的一個并行通道。

IGBT門級驅動器的數字化，允許設計師實現多層級的診斷功能。在最底層級，對所有基本功能進行監測，如振蕩器、電源、內部數據的完整性等等，第二個層級與電路板間的通信相關。在這里，可以讀取MCU經SPI發送和接收的信號，對比硬件PWM信號檢查信號的連貫性。在更高的層級上，該設備支持“假性”故障檢測（例如虛假DESAT事件）。由此可以檢測到潛在的“休眠性”故障。因此可以保證在整個車輛壽命周期中系統均能做出正確的故障響應。下一層級涉及到確保PWM指令被IGBT正確地接收到。DESAT擴展功能支持IGBT的VCE電壓的連續監測。檢測結果被連續發送到低壓側，并且信息可以以數字信號的形式予以獲得。然后英飛凌全新AURIX?微控制器系列的I/O監視器可以將IGBT狀態與原來的PWM實時命令（圖2）做出對比。可編程延遲補償，比較MCU輸出PWM和和物理IGBT開關時間造成的等待時間。

以上幾種安全策略可以同時實施也可以部分實施用于降低成本 。以上多做電路保護策略，在逆變器系統實施主動短路（ASC）策略時尤其有益。對于一 臺永磁同步電機，這樣的策略實現起來可能非常復雜。IGBT是一種開關設備，在逆變器運行過程中所有開關都在高速開關狀態。在高轉速時，磁體勵磁可能會導致過高電壓，并最終可能會導致逆變器的毀壞。因此，會引入逆變器的開關狀態為為0矢量所謂的主動短路（上管全開，下管全關）。圖3顯示出優化逆變器架構的一個范例。

EiceDRIVER Boost是增強了輸出電流能力的推挽輸出放大器，并集成了相關保護能力。它有一個專屬的輸入口，可以將輸入驅動PWM信號推動IGBT。來自于看門狗IC的信號，控制控制PWM是否能驅動IGBT。IGBT門級信號監視器和輸出級監視器等多項監測功能，可保證安全監控路徑的可靠。

結論

多年來，汽車系統已日益集成化。微控制器計算能力的指數增長導致硬件功能逐步轉向軟件；同樣，數字化正在日益增加功能集成，日益提高診斷能力。數字柵極驅動器的面世為滿足未來逆變器系統的安全目標提供了一個新的有效可能性領域。這是在車載逆變器系統中實現智能驅動的征程上的第一個里程碑。（英飛凌igbt廠家）