PI 汽车级驱动板SCALETM EV优化并保障SiC和IGBT开关电路

前不久深耕于中高压逆变器应用门极驱动器技术领域的知名公司Power Integrations（PI）推出了一款SCALE^TM EV系列门极驱动板，该驱动板通过汽车级认证和ASIL B认证，可实现ASIL C/D牵引逆变器设计。值得一提的是，此新品为市场上首款唯一通过汽车级认证的门极驱动板，可大大减化汽车厂商的认证流程。SCALE^TM EV支持耐压达1200V的IGBT或SiC MOSFET模块产品。目前上市的首款型号适用于Infineon EconoDUAL^TM模块。应用范围包括电动汽车、混合动力和燃料电池汽车（包括巴士和卡车）以及建筑、采矿和农用设备的大功率汽车和牵引逆变器。PI公司的资深技术培训经理阎金光分享了该驱动板的详情。

满足汽车功能安全等级

无论是燃油还是电动汽车安全性永远是永恒不变的话题，安全关乎每个人的生命。特别是在电动汽车逐渐成为市场主流的时下，ECU数量和代码行数与日俱增，整个汽车系统的复杂性也越来越高，功能安全已经成为一个不可忽视的问题。另一方面伴随电动汽车电压平台从400到800V的转换，大功率方案为电源管理的功能安全也带来了挑战。而电子器件的安全可靠性会为整个系统带来更安全可靠的保障。

汽车电子设备安全标准 ISO 26262将安全风险划分四个等级，即ASIL-A到ASIL-D，等级越高危害性会越大。比如安全气囊、动力转向、防抱死制动被定义为ASIL-D；而象刹车灯、视觉ADAS等则被定义为ASIL-B。

PI的SCALE^TM EV系列门极驱动板所有元件通过汽车级认证和ASIL B认证，可实现ASIL C/D牵引逆变器设计。另一方面，采用PI这块SCALE^TM EV驱动板，不仅汽车厂商免去设计、验证、认证等时间，同时逆变器厂商也可以直接拿来即用。

SCALE^TM EV系列门极驱动板三大功能

驱动板是逆变器的组成部分，通常三相驱动有三个模块，每个模块配置上下管以及各自的驱动电路，PI将功率模块的驱动做到一个板上。阎经理介绍SCALE^TM EV驱动板除了提供驱动信号给功率开关外，还提供1200V高低压的加强绝缘、提供保护作用的功能。他补充，当电路故障时，驱动板必须在最快的时间内提供保护信号，IGBT需要在10微秒内，而MOS管的耐受功率不如IGBT，因此后者需要在短路3微秒之内提供保护。SCALE^TM EV驱动板可根据不同的功率开关对元器件的参数做相应的调整以便达到所需的保护时间。

电动汽车功率架构图

SCALE^TM EV更多特性

SCALE^TM EV双通道门极驱动器目前首发型号为2SP0215F2Q0C，针对英飞凌EconoDUAL 900A 1200V IGBT半桥模块而设计。加强绝缘强度达5500米海拔，当然这要得益于板上特殊的ASIC封装，可实现足够宽的爬电间距11.4mm。提供主动放电和主动短路功能、高级的具备软关断特性的过压控制、Dsat检测(退饱和检测) 、隔离的NTC温度测量、门极信号翻转监测、比特流遥测报告给主控制器。阎经理解释到SCALE^TM EV提供一种智能化的故障反馈，将高压故障通过比特流数据传输的方式遥测报告给主控制器，以便进行下一步操作。

另外，SCALE^TM EV拥有双连接器特性支持，始终维持管子不会失效，相比同一个连接器既提供上管也提供下管驱动的设计，SCALE^TM EV在上管停止开关操作时，下管仍然可以继续开关操作，保障了电路的功能安全。

SCALE^TM EV接口连接简单可靠，7引脚分别提供供电、PWM输入、主动短路/放电使能输入、主动短路/放电模式输入、比特流遥测输出、故障状态输出、供电返回端等功能。

数字遥测端口提供故障诊断及故障信息。

主动放电功能使母线电压在五秒内放电到小于60V的安全电压

在SCALE^TM EV的特性中，阎经理特别强调了主动放电和主动短路功能的重要性。

让我们来看一下电动车的工作原理，电动车的电池通过逆变器将直流转化为交流电压给电机进行供电，电机的绕组在交流电压的驱动下产生扭矩带动车轮转动。如果车辆发生意外碰撞情况时，直流母线电容器须尽快将400或800V甚至1000V母线电压在五秒内放电到小于60V的安全电压，否则将会对人身安全造成威胁。

另一方面，应急电源在驱动控制紧急断电时接管操作，并在车辆安全停止时使用直流母线为系统供电，如此便不会因为直流母线电压被卸放之后汽车的某些控制功能被损伤、损害。

而驱动板提供一个信号使逆变器中的开关管导通从而对母线进行放电，并对驱动信号进行调整到合理的范围内。下图可见，在故障情况下，驱动板使上管和下管同时开通，并且对开通时间进行设定，使其电流达到最大电流的50%以下，如此不会因为电压电流过大而损坏开关管。阎经理进一步解释，传统设计中一般由专用的电路负责放电，既有MOS管，也有一定数量的电阻。PI的方式是采用逆变器中的功率开关管进行放电，从而减少50-100个外围元件。而采用三个半桥模块使系统具有故障冗余的特性。

主动短路功能使电机在空转期间产生的电压能尽快的损耗掉

功能安全需要系统具有主动短路特性，目的是让电机在空转期间产生的电压能尽快的损耗掉，同时产生的反向的扭矩，帮助汽车在减速时车轮尽快的停止下来。在SCALE^TM EV中通过不同的两个引脚的电平组合来实现相应的主动短路操作。

大量测试数据保证逆变器的可靠安全性能

为了保证逆变器的可靠安全性，PI做了大量的测试。如前面所提到的，主动放电功能，下图采用DC母线1250μF电容，800V的DC母线电压，放电为10kHz开关频率，2µs脉宽，在180ms内从800V直接泄放到安全电压。另外PI还提供大量的性能测试数据，如高功率测试、短路、单/双脉冲测试、抗扰度等等。

此外，客户还可以在出厂设置前选择保护涂层服务。除英飞凌模块外，PI还可以根据其它新型模块提出的特殊要求进行性能调整，预计本年第四季度进入全面量产。PI提供免费的测试/开发接口板及相关软件用于工程研发调试，以帮助工程师能够尽快的对设计进行调整。

汽车的电动化趋势，使其内部引入了更多的电子化系统，安全性不仅仅成为汽车厂商关注的焦点，IC制造商在功能安全的保障中也扮演了重要的角色。PI 发布的业界首款汽车级SCALE^TM EV驱动板提供着可靠的性能和安全性，大幅缩减系统开发时间和成本。首发支持英飞凌EconoDUAL模块，但不止于此，PI早已为支持更多的厂商模块做好准备，并且实现定制化服务。