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多措并举,Power Integrations让牵引逆变器更安全可靠
来源:PI  时间:2020-12-07

牵引逆变器是帮助纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)实现能量转化和传输的重要装置,其运行的稳定性直接影响到电动汽车的动力输出和续航。

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近日,在中国国际汽车电子高峰论坛上,Power Integrations大功率FAE经理王强作主题演讲——《提高牵引逆变器安全可靠性的IC解决方案》,重点介绍了如何借助Power Integrations的IC解决方案打造更安全可靠的电动汽车牵引逆变器。

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【图为PI公司大功率FAE经理王强作主题演讲】

中国国际汽车电子高峰论坛由上海市科学技术协会、中国(上海)自由贸易试验区临港新片区管理委员会指导,上海市集成电路行业协会主办,ASPENCORE合办,邀请了整车厂商、Tier 1零部件供应商、汽车半导体厂商和智能驾驶开发商等业界专家,共同探讨汽车电子的设计、供应链、测试及质量控制等热门话题。

>> 从IGBT到SiC MOSFET

>> 支持更高的母线电压

当前,电动汽车演进的方向和用户需求是一致的,那就是充电更快、续航更远。电动汽车的母线电压开始由普通的400V转向电动巴士所采用的800V,甚至是更高的925V,以实现:

>> 充电速度更快

>> 电缆中的电流更小

>> 动力系统重量更轻、散热更少

在此过程中,传统牵引逆变器在效率、续航、成本和安全性等方面都遇到了瓶颈。王强认为:“逆变器的传动系统开始转向基于SiC的功率器件,使用SiC模块替换旧有的IGBT模块,以支持更高的母线高压,进而帮助电动汽车的动力系统实现更高的功率密度,提升电池的续航能力。”

当然,不管是基于IGBT模块,还是基于SiC模块,牵引逆变器解决方案都需要满足ISO 26262《道路车辆功能安全》国际标准,当车辆发生故障时,系统要保护用户。

>> 应对ISO 26262要求

>> InnoSwitch3-AQ提供极高的可靠性

王强指出,ISO 26262要求在牵引逆变器中使用EPS(电子助力转向系统)。EPS在辅助电池失效的情况下,为车辆安全转向和减速提供动力,既要能够在动力电池电压下工作,当主电压母线受到影响时,EPS需要在30 VDC(MIN)电压的情况下也能够继续工作。

当然,EPS在设计过程中也需要满足功能安全概念设计,比如防止电机产生自主扭矩,防止电机产生死锁扭矩,以及防止电机不提供动力等等,以上这些对元器件的稳定性和可靠性提出了很高的要求。

适用于EPS的InnoSwitch3-AQ可以帮助设计者应对这些挑战。InnoSwitch3-AQ反激式开关IC从高压直流母线取电,为驱动电机控制和牵引控制器提供供电,能够支持超宽输入范围:30至550V或30至925V母线电压。

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【InnoSwitch3-AQ参考设计】

InnoSwitch3-AQ采用Power Integrations的高速FluxLink™耦合技术, 可在无需专用隔离变压器检测绕组和光耦的情况下,实现±3%的高精度输入电压和负载综合调整率。集成的750 V MOSFET可满足严格的汽车降额要求,片上同步整流控制器在标称400 VDC输入电压下可提供90%以上的效率。同时,InnoSwitch3-AQ系列IC符合AEC-Q100标准,并在生产过程已通过IATF16949认证,为系统提供完善的保护。

对于800V和电压更高的母线应用可选用StackFET™。适用于30V-925V输入的30W外部电源DER-859Q就是采用tackFET™的类似设计,可以支持最高925 V母线电压。

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【DER-859Q参考设计】

>> 驱动和保护

>> 助力基于SiC模块的逆变器

上面已经提到,采用基于SiC模块的牵引逆变器对于电动汽车而言是未来的大趋势,Power Integrations为此提供了多方位的支持。除了InnoSwitch3-AQ,演讲中王强还提到了SiC MOSFET门极驱动器以及过压保护和di/dt控制“AROC”。

SCALE-iDriver是适用于IGBT和SiC MOSFET的纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)门极驱动器解决方案,已通过AEC-Q100认证1级标准,并符合LV123标准。

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其中,SIC1181KQ和SIC1182KQ是适用于BEV和PHEV牵引逆变器的SiC MOSFET门极驱动器,前者适合350V/400V电池,后者适合800V电池。

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SIC1181KQ和SIC1182KQ都集成了FluxLink技术,提供最高1200V加强绝缘,支持开关频率最高至150kHz,峰值输出门极驱动电流为±8A @TA = 125 °C,并提供完善的保护:

>> 漏极-源极过压保护

>> 通过电阻串实现超快短路保护 - 典型短路响应时间<2µs

>> 针对集成电流检测/镜像功能的SiC MOSFET,可实现过流关断

>> 原方和副方欠压保护(UVLO)

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【SIC118xKQ驱动设计】

在短路保护部分,王强重点介绍了过压保护和di/dt控制“AROC”——Advanced Resistive Overvoltage Control(高级阻性过压控制)。

在现实应用中,为了应对短路情况不得不增大驱动电阻。此妥协的后果是,在部分/满负载工作状态下,开关损耗偏高。SIC1182K可优化门极电阻,最大程度减小开关损耗,提高短路关断可靠性,可提高WLTP(全球轻型车测试规程)的效率。

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【有无“AROC”对比】



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【图为在中国国际汽车电子高峰论坛期间观众参观PI展台并和PI技术人员交流】


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