主驅逆變器方案拓撲

 

如圖1所示，該拓撲包括4個(gè)主要功能塊：三相逆變級、隔離電源、信號處理和調節、通信總線(xiàn)。

 

圖1：主驅逆變器方案拓撲

 

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(kāi)關(guān)里的高邊和低邊開(kāi)關(guān)以及相應的高隔離電壓門(mén)極驅動(dòng)器，開(kāi)通和關(guān)斷那些開(kāi)關(guān)產(chǎn)生3相交流正弦波形使感應電機運行。采用微處理器配置的變頻驅動(dòng)控制算法管理每個(gè)逆變器相的高邊和低邊開(kāi)關(guān)控制。  

 

主驅逆變器通常采用400 V（HVL1）或800 V（HVL2）的高壓電池系統，后者在最新設計中日益流行。這些系統要求功率半導體器件的最高工作電壓在600 V至750 V范圍內，或900 V至1200 V范圍內，分別對應HVL1或HVL2。要求功率逆變器在每相400 A至1000 A范圍內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)，而多數使用功率集成模塊(PIM)。安森美半導體提供分立的IGBT、碳化硅（SiC）MOSFET和創(chuàng )新的VE-Trac系列PIM，以及IGBT和快速恢復二極管的裸芯片，構建主驅逆變器相。所有這些方案都可以與高壓門(mén)極驅動(dòng)器接口。

 

安森美半導體的高壓門(mén)極驅動(dòng)器技術(shù)除了提供用于隔離高壓系統與低壓系統的電氣隔離（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。此外，還具有米勒鉗位功能，防止其中一個(gè)開(kāi)關(guān)意外導通。且為了增強保護，還具有故障指示功能，以通知系統故障且使能輸入。

 

安森美半導體的經(jīng)AECQ-101認證的分立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(mén)極電荷，因此可將導通和開(kāi)關(guān)損耗降至最低，從而實(shí)現高能效運行。安森美半導體的IGBT與快速反向恢復二極管共同封裝，并采用具有競爭優(yōu)勢的場(chǎng)截止溝槽技術(shù)進(jìn)行構建，該技術(shù)采用了精細的單元間距設計以創(chuàng )建高功率密度器件，并具有穩定的抗動(dòng)態(tài)閂鎖條件的特性。根據電機的功率要求，可以在逆變器每個(gè)半橋上的相應的高邊和低邊開(kāi)關(guān)上并聯(lián)多個(gè)IGBT。

 

安森美半導體的VE-Trac系列PIM，提供同類(lèi)最佳的電氣和熱性能，支持兩個(gè)主驅逆變器設計平臺：VE-Trac™Dual和VE-Trac™Direct。

 

VE-Trac Dual結合雙面散熱 （DSC）半橋模塊，在緊湊的占位內堆疊和擴展，提供一個(gè)小占位的平臺方案適用于從80 kW到300 kW應用。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，是現有競爭器件容量的兩倍。高效的雙面散熱確保領(lǐng)先市場(chǎng)的熱性能，該模塊中沒(méi)有任何綁定線(xiàn)，使其額定壽命加倍。NVG800A75L4DSC是符合AQG-324認證的模塊，含嵌入式智能IGBT，對集成了過(guò)流和過(guò)溫保護功能，提供更快的保護響應時(shí)間，因而提供更強固的整體方案。安森美半導體將在未來(lái)數月推出 VE-Trac Dual平臺內具有更高電壓和各種電流水平選項的其它器件，以應對各種新興應用。

 

圖2：VE-Trac Dual PIM

 

VE-Trac Direct平臺提供同類(lèi)最佳的性能和優(yōu)勢，包括采用直接冷卻實(shí)現出色的熱性能。該平臺的首個(gè)器件是符合AQG-324認證的NVH820S75L4SPB。該器件采用six-pack架構封裝，已獲汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)商（OEM）和系統供應商廣泛認可并采用。這將支持多源供應，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(chē)平臺和應用提供簡(jiǎn)單、快速的功率調整。

 

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

 

對于800V電池電動(dòng)汽車(chē)系統，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(kāi)關(guān)中。 SiC MOSFET提供優(yōu)于硅的開(kāi)關(guān)性能和更高的可靠性，具有低導通電阻和緊湊的芯片尺寸，確保低電容和門(mén)極電荷。這些特性帶來(lái)了系統優(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。

 

安森美半導體提供專(zhuān)為主驅逆變器應用而優(yōu)化的二極管和IGBT裸片，能在175°C的溫度下連續運行，具有較低的VCE（sat）和正向電壓（VF），具有增強的可靠性和魯棒性。

 

信號處理和調節

 

模擬測量和信號調節模塊的主要功能是處理來(lái)自逆變器的電流和溫度檢測信號以及來(lái)自感應電機的電流和電機位置檢測信號。使用諧振和反激控制器構造的隔離電源可以為微控制器、信號調節和模擬測量電路提供電源。安森美半導體提供符合AECQ的邏輯組件、比較器、運算放大器和電流檢測放大器，以構建信號處理電路，與微控制器模數轉換器單元接口，從而構成閉環(huán)系統。

 

通信總線(xiàn)

 

安森美半導體提供基于CAN、CAN-FD、LIN、Flexray和系統基礎芯片（SBC）的收發(fā)器，可確保以超過(guò)1 Mbps的數據速率進(jìn)行可靠定的車(chē)載通信，以滿(mǎn)足現代車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的要求。此外，安森美半導體還提供AECQ-101認證的通信總線(xiàn)保護器件，結溫最大值為175°C，以保護車(chē)輛通信線(xiàn)路免受靜電放電（ESD）和其他有害瞬態(tài)電壓事件的影響。這些器件為每條數據線(xiàn)路提供雙向保護，為系統設計人員提高系統可靠性并滿(mǎn)足嚴格的EMI要求提供了具成本優(yōu)勢的選擇。

 

評估套件

 

為便于設計人員在開(kāi)發(fā)主驅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(kāi)關(guān)參數，或用作電機控制的3相逆變器，功率達150 kW。

 

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

 

·        集成800A，750V第4代場(chǎng)截止（FS4）IGBT/二極管芯片組

 

·        汽車(chē)級隔離型大電流、高能效IGBT門(mén)極驅動(dòng)器內置電氣隔離NCV57000/1

 

·        電源模塊中的片上電流檢測功能實(shí)現更快更簡(jiǎn)單的過(guò)流保護（OCP）

 

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

 

·        定制設計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(xiàn)電容器，額定值達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(mén)極驅動(dòng)器板、直流母線(xiàn)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(chē)級隔離型大電流、高能效IGBT門(mén)極驅動(dòng)器內置電氣隔離NCV57000/1

 

·        薄膜直流母線(xiàn)電容器，額定值達500VDC，500 uF

 

圖4： VE-Trac Direct評估套件

 

 

 

產(chǎn)品推薦列表

 

 

總結

 

設計電動(dòng)動(dòng)力總成的挑戰之一是電池提供直流電，而主驅電機需要交流電。因此，主驅逆變器是動(dòng)力總成的關(guān)鍵部分。元器件選擇不當或設計不當會(huì )導致逆變器能效低或尺寸大（或兩者兼而有之），這將不利于車(chē)輛行駛更遠的里程，必須仔細評估導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，以實(shí)現車(chē)輛的目標傳動(dòng)系統性能。安森美半導體提供高能效、強固且具成本競爭優(yōu)勢的主驅逆變器方案及先進(jìn)的封裝技術(shù)，包括分立功率器件、隔離門(mén)極驅動(dòng)器和擴展的模塊方案，以及寬禁帶方案，并持續創(chuàng )新，以解決設計挑戰，為迅速增長(cháng)的主驅逆變器市場(chǎng)提供可擴展性和汽車(chē)可靠性，推動(dòng)電動(dòng)動(dòng)力總成的快速發(fā)展和采用。

 

關(guān)于安森美半導體

 

安森美半導體（ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON）致力于推動(dòng)高能效電子的創(chuàng )新，使客戶(hù)能夠減少全球的能源使用。安森美半導體領(lǐng)先于供應基于半導體的方案，提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時(shí)序、互通互聯(lián)、分立、系統單芯片（SoC）及定制器件陣容。公司的產(chǎn)品幫助工程師解決他們在汽車(chē)、通信、計算機、消費電子、工業(yè)、醫療、航空及國防應用的獨特設計挑戰。公司運營(yíng)敏銳、可靠、世界一流的供應鏈及品質(zhì)項目，一套強有力的守法和道德規范計劃，及在北美、歐洲和亞太地區之關(guān)鍵市場(chǎng)運營(yíng)包括制造廠(chǎng)、銷(xiāo)售辦事處及設計中心在內的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )。更多信息請訪(fǎng)問(wèn)http://www.onsemi.cn。

 

 

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