【導讀】就在德國紐倫堡PCIM Europe展會的最后一天，Power Integrations（PI）在線上舉辦新品溝通會，PI資深技術培訓經理Jason Yan講解了一個汽車級IGBT/SiC（碳化硅）模塊驅動器系列產品——適用于Infineon EconoDUALTM模塊的SCALETM EV系列柵極驅動板。
他表示，新款驅動器板同樣適用于原裝、仿制以及其他新的采用SiC的衍生模塊，其應用范圍包括電動汽車、混合動力和燃料電池汽車（包括巴士和卡車）以及建筑、采礦和農用設備的大功率汽車和牽引逆變器。
從功能安全說起
先看什么是功能安全？Jason Yan的解釋是：“不存在由于電氣和電子系統(tǒng)的故障或意外行為引起的危害而導致的不合理風險”，例如動力傳動系統(tǒng)發(fā)生故障時，應該讓車輛逐漸停下來，而不是突然鎖死制動使控制失靈；動力轉向故障也不應該導致轉向完全失效，車輛仍可以通過努力實現轉向。
他指出，電子系統(tǒng)引入汽車應用后，對整車安全形成了很大影響。世界上各大電動汽車廠商都致力于保證功能安全，使電動汽車有更高的安全性和可靠性，避免由于電氣電子系統(tǒng)故障或意外行為引起的危害而導致不合理風險。功能安全定義的就是電氣電子系統(tǒng)引起的傷害風險等級。
雖然ISO 26262是一個功能安全標準要求，并不是強制要求，但具有功能安全的電動汽車一定是安全性更高的。而汽車安全完整性等級（ASIL）是由汽車電子設備安全標準ISO 26262定義的風險分類方案，旨在確認系統(tǒng)強制故障以良性（安全）方式發(fā)生。功能安全通常涵蓋以下車輛系統(tǒng)。
在具體方式上，可以通過主動放電在緊急情況下保護技術人員、乘客和應急工作人員的安全。例如，當電動汽車在高速公路上遇到碰撞等緊急情況，或動力轉向出現故障時，將直流母線電容器電壓放電至驅動系統(tǒng)中的安全電壓（＜60V安全超低電壓（SELV）），防止直流總線工作在400-1200V潛在致命電壓；應急電源（EPS）也需要如法炮制。
為此，需要進行有源泄放或主動短路，以及主動放電。這可能需要柵極驅動器提供非正常工況下的驅動信號來產生短路（半橋中的兩個開關都打開）的工作狀態(tài)，以提供放電路徑。在正常工作情況下，不允許上管和下管IGBT驅動器同時執(zhí)行相同的開關操作指令。而在主動放電工作情況下，可利用驅動器對驅動信號加以調整，防止在此操作期間造成開關過熱而損壞。
在緊急情況下，驅動電機應該用于制動而不是加速車輛。利用電機驅動控制改變驅動繞組的定時換向時間以對抗電機的旋轉，可使電機施加反向扭矩，使其停止（利用主動短路功能將電機繞組短路）。
首款唯一通過汽車級認證的柵極驅動板
Jason Yan介紹說，SCALE? EV是目前市場上首款唯一通過汽車級認證的柵極驅動板，內部集成了兩個增強型柵極驅動通道、相關供電電源和監(jiān)控遙測電路。它有助于廠商加快產品研發(fā)流程，簡化產品認證時間。SCALE? EV滿足汽車級認證及ASIL安全要求，包括AEC Q100/101/200、ASIL-B 認證（ISO 26262），適用于ASIL-C/D牽引逆變器設計。
針對標準車規(guī)功率模塊，SCALE? EV同時支持耐壓達1200V的IGBT或SiC MOSFET模塊產品，適合于電動巴士、電動卡車、農用及建筑用車輛內部的牽引逆變器，也可以用于氫燃料電池變換器、電池儲能或其他需要有更高車規(guī)認證可靠性要求的應用。
圖中紅色虛線內是低壓部分。驅動板大小與模塊的外形完全契合，使得模塊與模塊間的間距不受驅動板大小的影響，適合于緊湊型逆變器的設計。驅動板上高壓與低壓之間的絕緣等級滿足加強絕緣要求。
SCALE EV性能詳細解讀
SCALE EV驅動的1200V耐壓模塊適合于400V和800V的母線系統(tǒng)，同時支持碳化硅MOSFET和基于硅的IGBT開關。其設計符合5500米海拔要求，爬電間距足夠寬，且可提供三防漆服務選項，以滿足技術上的潔凈度要求。
Jason Yan表示，新產品在設計上優(yōu)勢明顯，具備完善的先進保護功能，集成主動短路、對所連接直流母線電容的主動放電、通過主動柵極軟關斷控制實現過壓限制，以及柵極監(jiān)測、信號傳輸監(jiān)測和芯片內溫度監(jiān)測等診斷功能。
驅動板的第一個功能是給開關提供驅動信號，根據不同功率開關對元器件的參數進行調整達到所需的功率開關特性，并滿足不同功率開關的故障保護響應時間要求。主動短路模式支持功能安全要求，對于SiC MOSFET開關的短路和過流響應時間小于1微秒，而IGBT開關的短路和過流響應時間小于3微秒。以上保護特性可以根據使用IGBT和MOS管的不同保護時間進行調整。
驅動板的第二個功能是隔離，搭配的英飛凌的功率模塊耐壓是1200伏，還有氫燃料電池變換器電池儲能等更高車規(guī)認證應用也可以用這樣的組合。汽車級認證可滿足電動汽車生產廠家直接購買逆變器組裝的需求，特別是提高到800伏的電動汽車母線電壓，使用非常方便。
驅動板的第三個功能是保護，因為功率開關的電壓比較高，流過的電流也很大，所以在任何故障情況下都必須盡快提供一個保護信號。器件的數字遙測端口可提供故障診斷及故障信息，通過隔離的NTC溫度測量、柵極信號翻轉監(jiān)測，以比特流方式將IGBT退出飽和區(qū)的故障情況傳給主控制器，以決定如何處理故障。此外，利用IGBT對DC母線電容的主動放電可節(jié)省50-100個外圍元件。
Jason Yan強調，之所以采用三個半橋模塊，是因為要保證故障的冗余特性。即使一組有問題，另外兩組還可以保證直流母線電壓能夠放電。逆變器通常是由多個半橋構成，利用半橋中上管和下管同時開通泄放直流母線電壓，有助于實現有效的主動放電功能。
SCALE EV板的接口連接簡單可靠，雙連接器支持功能安全要求，兩個連接器分別接上管和下管驅動。正常工作期間，有兩個連接器連接板子，即使一個上管連接器斷開，下管還可以繼續(xù)工作，而不會使整個半橋失去功能，因為兩個連接器都發(fā)生故障的概率很小。
PI為SCALE EV提供了全面的技術支持，包括包括數據手冊、驅動板安裝壓接工具的CAD設計文件、RDHP-2250Q接口板以及與其相配的PC驅動板調測軟件。
可以為客戶定制
Jason Yan最后說，SCALE EV方案目前只有一個可用型號——2SP0215F2Q0C，適合通用EconoDUAL? 模塊。如果客戶有特殊模塊，比如內部集成碳化硅的功率模塊或其他型號的IGBT模塊或SiC模塊，也可以根據其特性對開關特性進行調整。甚至可以按照新模塊的尺寸重新設計驅動板。目前的SCALE EV產品將于2022第四季度進入全面量產。
來源：PSD功率系統(tǒng)設計 ，作者劉洪
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