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简化高电压、高电流变频器
透过IGBT 闸极驱动器的先进装置

【作者: Kim Gauen】2017年11月02日 星期四

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市场演变

汽车产业正朝向电气化方向发展,系统的性能将影响其渗透率及采用率。电气化的主要影响因素包括系统成本与可靠程度。随着市场从电力辅助朝向完全自动驾驶,空间大小、重量及电池的性能,对电动汽车(EV)的系统效率、安全系数、整体成本而言都是一项挑战。恩智浦透过一系列产品组合,包含启动/停止、低电压与高电压电池管理、充电点、变频器等,在油电混合及电动车市场占有一席之地。本文焦点为 EV 变频器,探讨在降低成本的同时,提高系统效率及功能安全性的未来趋势。


IGBT 技术的趋势与结果

EV 变频器市场有一项关键考量因素,就是需要更小、更便宜的 IGBT 模组,以帮助降低成本。要达到这点,产业的作法是藉由缩短闸极通道的长度,来增进 IGBT 电流密度技术(图 1)。其优点可以减少 IGBT 的晶粒大小,同时降低正向压降。晶粒变小可以缩小模组尺寸,进而降低模组成本。较低的正向压降,可以降低约15%的IGBT功耗。模组变小、成本降低、效率提高,形成完美的三重效果。这样的愿景可能会在哪里出错呢?


图1 : (资料来源:富士电机)
图1 : (资料来源:富士电机)

在过电流或短路的条件下,较高的电流密度 IGBT,换来的是较大的能量密度(图 2)。较大的能量密度会快速产生压力,有可能会破坏昂贵的 IGBT 模组。因此就必须能快速感测过电流条件、进行正确的评估,并缓和关断 IGBT。



图2 : (资料来源:富士电机)
图2 : (资料来源:富士电机)

对理想闸极驱动 IC 的要求

理想的闸极驱动积体电路(Gate driver integrated circuit, GDIC)有四个关键要求,包括能大幅降低系统成本与 PCB 面积、确保系统符合 ISO 26262 要求,以及能再利用的灵活设计。


大幅度降低系统成本

我们已经讨论过如何透过降低 IGBT 模组成本,尽可能降低 EV 变频器的成本,但 GDIC 如何提供帮助?如图 2 所示,在最新一代的 IGBT 中,随着电流密度的增加,故障电流值也跟着增加。此现象即要求最新一代的 IGBT 整合 ISENSE 输出,可以快速感测过电流条件。GDIC 可以监控 IGBT ISENSE ??针,藉此提升短路保护,以提供快速感测 (< 2 μS),并且在遇到过电流发生时将其关断。使用双层关断整合,可以在故障侦测时降低闸极电压,因此就能减少峰值故障电流。一旦确认故障,即用缓和关断将闸极电压温和关闭。


GDIC 也可以增进变频器的整体效率,藉此降低 IGBT 与印刷电路板(PCB)高温而降低系统复杂度。其中一例就是在GDIC中整合闸极驱动电晶体。这不仅可以节省元件成本及 PCB 面积,同时也能提供充电及放电路径的直接与独立控制,进而大幅缩短保护延迟时间,更紧密监控闸极电压。使用轨到轨控制以确定导通状态及关断状态的电压是否被拉至负极电源,而不是其上的二极管压降。


另一例是使用主动米勒箝位(active Miller Clamp, AMC)功能,可以经由多种方式,将系统成本减到最低。它可以提升 IGBT 对 dv/dt 所引起之二次开启的抗扰度。专属的 AMC ??针让设计者可以将通常必要的负闸极驱动电源供应省略掉。省略负极电源供应可以节省 PCB 面积,同时还可以拿掉一些元件,更重要的是它可以减少与负极电源供应有关的闸极驱动损耗。未使用负极电源供应时,可以节省 35% 的额外闸极功率,消弭闸极驱动板的高热,以及更大的闸极驱动电源供应需求。


大幅缩小所需的 PCB 面积

IGBT 模组的大小或许可以减少,但是对诊断及安全性的要求仍持续增加。分配给驱动电路的 GDIC PCB 面积也相对减小,以配合缩小的 IGBT 尺寸。高度整合的 GDIC 可以消除或减少外部元件,藉此减少所需的面积。这可以透过整合高压电隔离来达成;AMC 电路因此得以免除不必要的负闸极驱动电源供应;高电流闸极驱动电晶体;延迟时间强制、交叉传导保护等。


另外,还有一些较不明显的功能,例如闸极电源供应的後期调变也可以释放出 PCB 面积。这可以让电源供应输出的组合有较少的变压器磁芯,减少跨越直流电隔离屏障的元件数。若是 IGBT 提供ISENSE ??针,能减低 Vce 主动箝位的需求、消除主动箝位稽纳二极体及相关的二极体,节省大量的面积与成本。


符合 ISO 26262 ASIL-D 指标

为了能够与汽车安全连接,电子系统必须要可靠、安全、可使用且失效安全。新兴的 ISO 26262 安全合规性标准,有可能成为多数 EV 变频器系统的必备要求。正确的 GDIC 可以提供整合功能,以简化系统合规性的程序,降低安全性系统所需的开发时间及复杂度。这些功能包括安全 SPI 可配置模式、讯框错误检测、IGBT 开/关状态验证、电源供应连续监控,以及低侧与高侧安全逻辑介面??针。例如 AMUXIN 及 AOUT 等??针提供一个工作周期编码讯号,以表示 IGBT 温度、GDIC 温度、闸极电源供应电压,及辅助 AUMXIN 监控。这可以免除对 HV 域的外部反??需求。最後,ISO 26262 制定严格的设计及文件程序,以确保产品能符合安全应用的严格要求。


灵活的设计与再利用

理想的闸极驱动 IC,最後一项要求是灵活的设计与再利用。IGBT 的类型、产生、尺寸、??针排列及其功能差别很大。因此,GDIC 的响应必须加以调整,以便最隹化已知 IGBT 的性能。纳入「串列外设介面」(SPI)、广泛的 GDIC 可编程性,表示无论选用何种 IGBT,其性能皆能最隹化。例如短路及过电流、过温警告与过温关断等可编程功能,闸极电源供应欠压关断临界值及滤波器皆可设定。此外,还可以实现 PWM 延迟时间、操作模式、故障、Vge 监控、两层关断电压与时间控制。


高压变频器解决方案

恩智浦提供的高电压功率 IGBT 具备先进的闸极驱动器,整合了高电压隔离器。MC33GD3000 装置提供电流及温度感测功能,可搭配内含积体电流及温度监控输出的新型高电流密度 IGBT 模组运作。它能快速侦测需要降低短路 IGBT 压力的过电流事件。


它在低电压驱动电子设备与高电压电子设备之间,整合高电压电气隔离,让隔离域与非隔离域之间能进行通讯。其拥有广泛可编程的保护及诊断功能,无论是低电压或高电压域,都能跟失效安全管理相容。ASIL C/D 监控与报告的 SPI 介面,能提供详细的故障与状态资料,符合 ISO 26262 要求。GD3000 也能提供标准监控集电极-发射极的电压,以及去饱和临界值关断与箝位,而与未配备电流与温度感测??针的 IGBT 相容。


恩智浦的动力传动机构产品组合适合提供关键半导体元件给电动车及油电混合电动车系统,特别是高电压、高电流变频器等先进装置。闸极驱动器仍然是供电域连接控制域的关键元件,有助於提高系统整合度,并降低设计成本。


(本文作者Kim Gauen任职於恩智浦资深产品工程师)


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