车用逆变器构造优化 助力电动汽车普及

汽车行业掀起了一场技巧变更:电动汽车 (EV) 和混杂动力汽车 (HEV) 正年夜范围地投产,进进贸易化运作。这意味着采取新型构造的汽车正在大批推出。从电子体系的角度来看,迄今为止用于电动汽车 (EV) 和混杂动力汽车 (HEV) 的技巧重要源安闲曩昔数十年间最初是针对产业利用而开辟的各类解决计划。因为汽车行业在贸易上和技巧上都有分歧于产业体系的特定请求,是以须要开辟专用的解决计划。斟酌到传动体系,特殊是逆变器,xEV 的厂商将要应对三年夜挑衅:进步能效、下降本钱以及终极知足功效性平安请求。ISO26262 尺度的引进推进了对智能型、高性价比电子解决计划的需求。逆变器电子构造图 1 代表了与永磁同步电机 (PMSM) 一路用于汽车的牵引逆变器的典范构造。它由三个重要部门组成:• 低压 (LV) 侧的重要逻辑电路• 驱动单位• 与直流链接相连的 IGBT 功率模块。驱动单位凡是由单个 PCB 组成,PCB 的衔接应尽可能接近功率模块以最年夜水平下降 IGBT 栅极旌旗灯号通路中的寄生元件的数目。 每个 IGBT 均由栅极驱动器驱动,该驱动器的重要功效为 :• 供给低压和高压之间的电尽缘功效。一流的解决计划有赖于感应式、电容式隔离或光学隔离。• 驱动 IGBT 栅极以使体系到达最高效力。这意味着器件应可以或许供给足够年夜的电流对栅极进行快速充电和放电。为到达这一目标,经常在驱动器和 IGBT 之间设置后驱动单位(或升压单位)。• 供给基础的维护功效,如欠压锁定 (UVLO) 功效或往饱和维护 (DESAT) 功效。除了上述这些功效,还对栅极驱动器提出了其他请求以到达平安尺度。此中一个重要平安请求划定在呈现故障时体系应可以防止或限制电机在车轮发生过剩的力矩,如许不会呈现司机无法把持车辆的情形。对于非同步电机来说,此类策略(相对)易于安排,这是因为体系的平安状况是经由过程打开所有开关实现;IGBT 是常态下处于关断状况的器件,是以平安状况是逆变器的默认状况。对于永磁同步电机 (PMSM)来说,因为在高转速 (RPM) 下,磁鼓励可能导致过压,是以情形更为庞杂。这会导致逆变器组件受到损坏。 例如基于机械子体系或斩波器的解决计划,数种方式在产业体系中经由过程利用证实其可行性,从而限制低于逆变器额定值的过压情形。可是,这些支撑体系会发生额外本钱,导致这一解决计划对于车用逆变器而言缺少现实可用性。抗故障自动短路 (ASC) 策略的安排可以实现体系的平安目的。该策略确保在每个零丁的故障情形下,逆变器经由过程短接电机相线可发生 0 矢量(或称为自动短路)。在这种状况下发生的通俗制动转矩不会导致司机无法把持车辆。 为了具有抗故障的鲁棒性,支撑自动短路 (ASC) 的构造有赖于:• 冗余电源体系(凡是由直流链接供给),该体系确保驱动板的某些要害功效始终启用从而使 IGBT 坚持在打开的状况。• 监控 IGBT 的状况以及时检讨从主逻辑电路到 IGBT 自身的 PWM 号令是否具有一致性。• 在利用性命周期中进步体系的可测试性,以跟踪体系的潜伏故障。离开实行此类办法不仅会明显增添资料清单本钱,并且还会增添驱动板 PCB 的尺寸,这在知足汽车内部的空间局限请求上会发生题目。数字驱动器:需要办法为优化逆变器构造,应实行两种重要计划:• 功效集成:每个新一代硅技巧都可晋升集成级别,意味着分立式功效可以在 ASSP 内集成。在很多汽车体系中均可发明相干的持续集成办法,特殊是在传统的 ECU 上。• 功效叠加:ASC 策略的实行依附超出电隔离障碍传输一系列的旌旗灯号。因为栅极驱动器已经内置了电隔离功效,是以是在电隔离通讯通道中对多个功效进行叠加的幻想选择。为实现功效集成与功效叠加,栅极驱动器必需数字化,至少部门数字化。这个办法可以经由过程向栅极驱动器添加数字接话柄现。至低压重要逻辑电路的通讯链接将用于在体系启动时对器件进行设置装备摆设,供给每一驱动器在运行时代的状况信息以及触发侵进式体系检测。应留意,通讯链接并纷歧定要直接把持 IGBT 的开关行动,但可以视为惯例 PWM 号令的并行通道。鉴于此,尺度中速通讯接口,如串联外围装备接口 (SPI),会是不错的选择。三种层级的诊断功效可采取上述方法集成:• 栅极驱动器层级:监督振荡器、电源、内部数据完全性等。• 故障注进层级:注进假设的故障(如虚拟的 DESAT 事务),查验体系是否能对此类事务做出准确反映。• 旌旗灯号一致性查验层级:经由过程 SPI 读取栅极驱动器发送和接受到的旌旗灯号级别。图3 显示了经优化的逆变器构造。 一些分立式平安功效已散布于体系的各个分歧组件上。在驱动器中集成了进步前辈的 IGBT 状况监督器和栅极监督器。如许在逆变器工作进程中可以对 IGBT 状况进行及时监控。例如,经由过程扩大大师熟习的往饱和维护功效,可以对 IGBT 进行监督。凡是 DESAT 维护功效在打开状况下会对 IGBT 的 Vce 电压进行监督。当跨越电压阈值(凡是是 9V)时,在检测到短路状态时,IGBT 会主动关断。DESAT 的扩大功效可以实现对 Vce 电压的连续监控。比拟器的成果被连续送往低压侧,信息以数字旌旗灯号的情势供给给低压逻辑电路。智能型低压逻辑电路接下来可以将 IGBT 状况与初始的 PWM 号令进行比拟。须要应用延迟功效与过滤器以抵偿超出电隔离障碍时的 IGBT 开关时光和传布时光。在栅极驱动器内集成数字通讯通道与栅极监督器的长处将在以下章节中进行阐明。平安通道安排本节供给的平安通道安排示例用于应对“低压电源缺掉”的故障情形。此通道安排采取英飞凌新型栅极驱动器 EiceDRIVER™SIL 与后驱动单位 EiceDRIVER™Boost (图 4) 高压逻辑块接受来自低压侧的把持旌旗灯号,该旌旗灯号起着宣布进进 ASC 模式号令的感化。该把持旌旗灯号可经由过程栅极驱动器数字通道 (DIO1 / DIO2) 超出电隔离障碍进行传输。数字通道的低延时(凡是是 2µs)可确保体系快速反映。 在正常工作时代经由过程数字通道传输的逻辑旌旗灯号电平应长短默认电平,凡是是高电平。低压电源一旦呈现过错,监督 EiceDRIVER™SIL 5V 电源的欠压锁定 (UVLO) 功效将禁用 DIO2 旌旗灯号。在完成对 DIO2 旌旗灯号的评估之后,高压逻辑电路将鉴定为 ASC 旌旗灯号。该旌旗灯号与升压器的专用输出端相连后将直接开启 IGBT,非论栅极驱动器发送的是何种 PWM 号令。为防止栅极驱动器(在低压电源缺掉情形下栅极驱动器主动会试图关断 IGBT)与开启 IGBT 的升压器之间流经高交叉电流,ASC 旌旗灯号被衔接至栅极驱动器的 OSD 输出引脚。OSD 引脚捕获到的自动电平使输出单位(即栅极驱动器的输出端 OUT)处于高阻抗状况(三态)。由直流链接供给的紧迫电源确保在 ASC 临界前提下(即在高直流链接电压、电机高转速下)高压逻辑电路、高压[Lw1]部门低压侧驱动器和升压器始终获得有用 15V (VCC2) 电源的供电。可是,自动 ASC 模式应仅在直流链接可供给有用 15V 电源的情形下由体系启用。不然一旦 VCC2 开端呈现低于临界电压的情形,IGBT 将以线性模式工作,这可能造成器件较年夜损耗并终极可能因过热导致器件破坏。为避免这种情形,栅极驱动器的 NUV2 旌旗灯号在内部由 UVLO2 功效直接把持。NUV2 的工作道理相似于开漏旌旗灯号。当有用的15V 电源电压施加在栅极驱动器上时, NUV2 浮现高电阻状况。可是,当施加无效电源时,ASC 旌旗灯号会被自动地驱往低层级。在并联状况下,将检测到 OSD 引脚,栅极驱动器的输出单位将退出三态模式。如许可确保 IGBT 快速关断。最后,应在利用性命周期中(例如,在体系启动时)按期对平安通道的正常应用进行检测。为此栅极驱动器的栅极监督器功效包括了一组比拟器,比拟器的状况可由 SPI 接口读取。接下来可以激活 ASC 旌旗灯号进行查验并检讨栅极电压是否到达了准确的阈值。结论与概览多年来汽车电子体系的总体趋向始终是日益集成化:微把持器的盘算机能年夜幅进步导致硬件功效不竭被软件代替;相似地,数字化也推进了功效集成度不竭进步,晋升了诊断功效。数字栅极驱动器的推出供给一系列新的可能性,可以经由过程有用方法到达将来逆变器体系的平安目的。起首,在栅极驱动器内部集成重要以分立情势施展感化的各类监控功效,可实现体系优化。其次,经由过程应用新式微把持器设计可以实现体系进一步优化。例如,作为微把持器中的 HW 扩大型外围装备的智能型 IO 监督器单位可将 IGBT 监督器发出的旌旗灯号模式与初始的 PWM 号令(在内部以冗余方法发生)进行比拟。如许低电压 (5V) 逻辑可以在体系呈现故障时机动地判定是在低压侧开关仍是在高压侧开关施加 0 矢量。将各类功效散布在微把持器和栅极驱动器可移除在今朝尺度逆变器中应用的扩大型组件,如 FPGA 与 PLD。 本文版权为盖世汽车所有,接待转载!请务必注明出处(盖世汽车)及作者。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注