提高電動(dòng)汽車采用率的高能效主驅(qū)逆變器方案解析

如圖1所示，該拓?fù)浒?個(gè)主要功能塊：三相逆變級、隔離電源、信號處理和調(diào)節(jié)、通信總線。

圖1：主驅(qū)逆變器方案拓?fù)?/p>

3相逆變級

3相逆變級的主要器件是逆變器里的每一相里的半橋開關(guān)里的高邊和低邊開關(guān)以及相應(yīng)的高隔離電壓門極驅(qū)動(dòng)器，開通和關(guān)斷那些開關(guān)產(chǎn)生3相交流正弦波形使感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。采用微處理器配置的變頻驅(qū)動(dòng)控制算法管理每個(gè)逆變器相的高邊和低邊開關(guān)控制。

主驅(qū)逆變器通常采用400 V（HVL1）或800 V（HVL2）的高壓電池系統(tǒng)，后者在最新設(shè)計(jì)中日益流行。這些系統(tǒng)要求功率半導(dǎo)體器件的最高工作電壓在600 V至750 V范圍內(nèi)，或900 V至1200 V范圍內(nèi)，分別對應(yīng)HVL1或HVL2。要求功率逆變器在每相400 A至1000 A范圍內(nèi)的電流水平下處理大量功率。為此，一些制造商把分立的封裝器件并聯(lián)，而多數(shù)使用功率集成模塊(PIM)。安森美半導(dǎo)體提供分立的IGBT、碳化硅（SiC）MOSFET和創(chuàng)新的VE-Trac系列PIM，以及IGBT和快速恢復(fù)二極管的裸芯片，構(gòu)建主驅(qū)逆變器相。所有這些方案都可以與高壓門極驅(qū)動(dòng)器接口。

安森美半導(dǎo)體的高壓門極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)除了提供用于隔離高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)的電氣隔離（galvanic isolation）之外，還有一個(gè)關(guān)鍵特性是去飽和（DESAT）檢測特性，可防止IGBT短路條件下的“擊穿”效應(yīng)。此外，還具有米勒鉗位功能，防止其中一個(gè)開關(guān)意外導(dǎo)通。且為了增強(qiáng)保護(hù)，還具有故障指示功能，以通知系統(tǒng)故障且使能輸入。

安森美半導(dǎo)體的經(jīng)AECQ-101認(rèn)證的分立IGBT器件，具有出色的熱性能和電性能。由于IGBT具有極低的VCE（sat）和門極電荷，因此可將導(dǎo)通和開關(guān)損耗降至最低，從而實(shí)現(xiàn)高能效運(yùn)行。安森美半導(dǎo)體的IGBT與快速反向恢復(fù)二極管共同封裝，并采用具有競爭優(yōu)勢的場截止溝槽技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，該技術(shù)采用了精細(xì)的單元間距設(shè)計(jì)以創(chuàng)建高功率密度器件，并具有穩(wěn)定的抗動(dòng)態(tài)閂鎖條件的特性。根據(jù)電機(jī)的功率要求，可以在逆變器每個(gè)半橋上的相應(yīng)的高邊和低邊開關(guān)上并聯(lián)多個(gè)IGBT。

安森美半導(dǎo)體的VE-Trac系列PIM，提供同類最佳的電氣和熱性能，支持兩個(gè)主驅(qū)逆變器設(shè)計(jì)平臺：VE-Trac?Dual和VE-Trac?Direct。

VE-Trac Dual結(jié)合雙面散熱 （DSC）半橋模塊，在緊湊的占位內(nèi)堆疊和擴(kuò)展，提供一個(gè)小占位的平臺方案適用于從80 kW到300 kW應(yīng)用。該平臺的首個(gè)器件是NVG800A75L4DSC，該模塊的額定電壓750 V，額定電流800 A，是現(xiàn)有競爭器件容量的兩倍。高效的雙面散熱確保領(lǐng)先市場的熱性能，該模塊中沒有任何綁定線，使其額定壽命加倍。NVG800A75L4DSC是符合AQG-324認(rèn)證的模塊，含嵌入式智能IGBT，對集成了過流和過溫保護(hù)功能，提供更快的保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，因而提供更強(qiáng)固的整體方案。安森美半導(dǎo)體將在未來數(shù)月推出 VE-Trac Dual平臺內(nèi)具有更高電壓和各種電流水平選項(xiàng)的其它器件，以應(yīng)對各種新興應(yīng)用。

圖2：VE-Trac Dual PIM

VE-Trac Direct平臺提供同類最佳的性能和優(yōu)勢，包括采用直接冷卻實(shí)現(xiàn)出色的熱性能。該平臺的首個(gè)器件是符合AQG-324認(rèn)證的NVH820S75L4SPB。該器件采用six-pack架構(gòu)封裝，已獲汽車整車廠商（OEM）和系統(tǒng)供應(yīng)商廣泛認(rèn)可并采用。這將支持多源供應(yīng)，最小化布局更改。 由于可提供多種功率等級，VE-Trac Direct平臺將為不同的汽車平臺和應(yīng)用提供簡單、快速的功率調(diào)整。

VE-Trac Dual和VE-Trac Direct平臺都能夠在最高175oC的結(jié)溫下連續(xù)工作，能在模塊化方案的緊湊封裝內(nèi)提供更高的功率。

對于800V電池電動(dòng)汽車系統(tǒng)，可以將采用D2PAK-7L和TO-247封裝的1200V、20mΩ、80mΩ SiC MOSFET插入3個(gè)逆變器每個(gè)半橋上的高邊和低邊開關(guān)中。 SiC MOSFET提供優(yōu)于硅的開關(guān)性能和更高的可靠性，具有低導(dǎo)通電阻和緊湊的芯片尺寸，確保低電容和門極電荷。這些特性帶來了系統(tǒng)優(yōu)勢，包括高能效、快速工作頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾（EMI）以及減小占位的便利性。

安森美半導(dǎo)體提供專為主驅(qū)逆變器應(yīng)用而優(yōu)化的二極管和IGBT裸片，能在175°C的溫度下連續(xù)運(yùn)行，具有較低的VCE（sat）和正向電壓（VF），具有增強(qiáng)的可靠性和魯棒性。

信號處理和調(diào)節(jié)

模擬測量和信號調(diào)節(jié)模塊的主要功能是處理來自逆變器的電流和溫度檢測信號以及來自感應(yīng)電機(jī)的電流和電機(jī)位置檢測信號。使用諧振和反激控制器構(gòu)造的隔離電源可以為微控制器、信號調(diào)節(jié)和模擬測量電路提供電源。安森美半導(dǎo)體提供符合AECQ的邏輯組件、比較器、運(yùn)算放大器和電流檢測放大器，以構(gòu)建信號處理電路，與微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元接口，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

通信總線

安森美半導(dǎo)體提供基于CAN、CAN-FD、LIN、Flexray和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）的收發(fā)器，可確保以超過1 Mbps的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行可靠定的車載通信，以滿足現(xiàn)代車載網(wǎng)絡(luò)的要求。此外，安森美半導(dǎo)體還提供AECQ-101認(rèn)證的通信總線保護(hù)器件，結(jié)溫最大值為175°C，以保護(hù)車輛通信線路免受靜電放電（ESD）和其他有害瞬態(tài)電壓事件的影響。這些器件為每條數(shù)據(jù)線路提供雙向保護(hù)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高系統(tǒng)可靠性并滿足嚴(yán)格的EMI要求提供了具成本優(yōu)勢的選擇。

評估套件

為便于設(shè)計(jì)人員在開發(fā)主驅(qū)逆變器的早期階段分別評估VE-Trac Dual模塊和VE-Trac Direct電源模塊的性能，安森美半導(dǎo)體提供VE-Trac Dual評估套件NVG800A75L4DSC-EVK和VE-Trac Direct評估套件NVH820S75L4SPB-EVK，可用作雙脈沖測試用以測量關(guān)鍵的開關(guān)參數(shù)，或用作電機(jī)控制的3相逆變器，功率達(dá)150 kW。

VE-Trac Dual評估套件含三個(gè)VE-Trac Dual電源模塊，貼裝在雙側(cè)冷卻散熱器上，配有6通道門極驅(qū)動(dòng)板、直流母線電容器和用于電機(jī)控制的外置霍爾效應(yīng)電流檢測反饋，不含脈寬調(diào)制（PWM）控制器。其特性如下：

集成800A，750V第4代場截止（FS4）IGBT/二極管芯片組

汽車級隔離型大電流、高能效IGBT門極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置電氣隔離NCV57000/1

電源模塊中的片上電流檢測功能實(shí)現(xiàn)更快更簡單的過流保護(hù)（OCP）

在電源模塊中集成了片上溫度感測功能，從而實(shí)現(xiàn)了更快，更接近真正的Tvj過溫保護(hù)（OTP）

定制設(shè)計(jì)的雙面散熱器提供低壓降，及出色的熱性能

定制的薄膜直流母線電容器，額定值達(dá)500 VDC，500 uF

圖3：VE-Trac Dual評估套件

VE-Trac Direct評估套件含一個(gè)VE-Trac Direct電源模塊，貼裝在冷卻套中，配有6通道門極驅(qū)動(dòng)器板、直流母線電容器，不含PWM控制器或外部電流檢測器。其特性如下：

集成820 A, 750V FS4 IGBT/二極管芯片組和直接冷卻特性

汽車級隔離型大電流、高能效IGBT門極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置電氣隔離NCV57000/1

薄膜直流母線電容器，額定值達(dá)500VDC，500 uF

圖4： VE-Trac Direct評估套件

總結(jié)

設(shè)計(jì)電動(dòng)動(dòng)力總成的挑戰(zhàn)之一是電池提供直流電，而主驅(qū)電機(jī)需要交流電。因此，主驅(qū)逆變器是動(dòng)力總成的關(guān)鍵部分。元器件選擇不當(dāng)或設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致逆變器能效低或尺寸大（或兩者兼而有之），這將不利于車輛行駛更遠(yuǎn)的里程，必須仔細(xì)評估導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)車輛的目標(biāo)傳動(dòng)系統(tǒng)性能。安森美半導(dǎo)體提供高能效、強(qiáng)固且具成本競爭優(yōu)勢的主驅(qū)逆變器方案及先進(jìn)的封裝技術(shù)，包括分立功率器件、隔離門極驅(qū)動(dòng)器和擴(kuò)展的模塊方案，以及寬禁帶方案，并持續(xù)創(chuàng)新，以解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，為迅速增長的主驅(qū)逆變器市場提供可擴(kuò)展性和汽車可靠性，推動(dòng)電動(dòng)動(dòng)力總成的快速發(fā)展和采用。
編輯：hfy