高能效的主驅(qū)逆變器方案 有助解決里程焦慮，提高電動(dòng)汽車的采用率

全球環(huán)保節(jié)能法規(guī)在推動(dòng)汽車廠商設(shè)計(jì)尺寸和重量更小、具有最高電源能效的電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)。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。主驅(qū)逆變器是電動(dòng)動(dòng)力總成的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)將高壓電池（350-800 VDC）的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流正弦電流的交流電壓，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)電感應(yīng)電機(jī)并驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。該模塊的性能影響到車輛的整體能效，包括加速和駕駛里程。安森美半導(dǎo)體提供高能效、穩(wěn)定可靠且具成本競爭優(yōu)勢的主驅(qū)逆變器方案及先進(jìn)的封裝技術(shù)，包括分立方案、隔離門極驅(qū)動(dòng)器和創(chuàng)新的VE-Trac系列模塊及寬禁帶（WBG）方案，以助力增加電動(dòng)汽車的行駛里程，從而提高電動(dòng)汽車的采用率。  

主驅(qū)逆變器方案拓?fù)?/strong>

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

圖1：主驅(qū)逆變器方案拓?fù)?/em>

3相逆變級(jí)

3相逆變級(jí)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(tái)：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(tái)方案適用于從80 kW到300 kW應(yīng)用。該平臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(jí)，VE-Trac Direct平臺(tái)將為不同的汽車平臺(tái)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(tái)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(hào)處理和調(diào)節(jié)

模擬測量和信號(hào)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(hào)以及來自感應(yīng)電機(jī)的電流和電機(jī)位置檢測信號(hào)。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(hào)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(hào)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(píng)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(píng)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(píng)估套件NVG800A75L4DSC-EVK和VE-Trac Direct評(píng)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(píng)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(jí)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(píng)估套件

VE-Trac Direct評(píng)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(jí)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(píng)估套件

產(chǎn)品推薦列表

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(píng)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。