如何打造更安全可靠的电动汽车牵引逆变器?

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。  

 

 

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。

 

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。  

【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。  

【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。  

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。  

 

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)

【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。  

【有无“AROC”对比】  

 

总结

随着电动汽车对充电效率和续航里程的要求不断提高，母线电压升高是大势所趋，这也伴随着很多设计挑战，基于SiC模块的牵引逆变器是化解难题的“魔法棒”，而Power Integrations要做的就是让其持续安全可靠。

原文标题：多措并举，Power Integrations让牵引逆变器更安全可靠

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责任编辑：haq