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透過IGBT 閘極驅動器的先進裝置簡化高電壓、高電流變頻器
 

【作者: Kim Gauen】   2017年11月02日 星期四

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市場演變

汽車產業正朝向電氣化方向發展,系統的性能將影響其滲透率及採用率。電氣化的主要影響因素包括系統成本與可靠程度。隨著市場從電力輔助朝向完全自動駕駛,空間大小、重量及電池的性能,對電動汽車(EV)的系統效率、安全係數、整體成本而言都是一項挑戰。恩智浦透過一系列產品組合,包含啟動/停止、低電壓與高電壓電池管理、充電點、變頻器等,在油電混合及電動車市場佔有一席之地。本文焦點為 EV 變頻器,探討在降低成本的同時,提高系統效率及功能安全性的未來趨勢。


IGBT 技術的趨勢與結果

EV 變頻器市場有一項關鍵考量因素,就是需要更小、更便宜的 IGBT 模組,以幫助降低成本。要達到這點,產業的作法是藉由縮短閘極通道的長度,來增進 IGBT 電流密度技術(圖 1)。其優點可以減少 IGBT 的晶粒大小,同時降低正向壓降。晶粒變小可以縮小模組尺寸,進而降低模組成本。較低的正向壓降,可以降低約15%的IGBT功耗。模組變小、成本降低、效率提高,形成完美的三重效果。這樣的願景可能會在哪裡出錯呢?


圖1 : (資料來源:富士電機)
圖1 : (資料來源:富士電機)

在過電流或短路的條件下,較高的電流密度 IGBT,換來的是較大的能量密度(圖 2)。較大的能量密度會快速產生壓力,有可能會破壞昂貴的 IGBT 模組。因此就必須能快速感測過電流條件、進行正確的評估,並緩和關斷 IGBT。



圖2 : (資料來源:富士電機)
圖2 : (資料來源:富士電機)

對理想閘極驅動 IC 的要求

理想的閘極驅動積體電路(Gate driver integrated circuit, GDIC)有四個關鍵要求,包括能大幅降低系統成本與 PCB 面積、確保系統符合 ISO 26262 要求,以及能再利用的靈活設計。


大幅度降低系統成本

我們已經討論過如何透過降低 IGBT 模組成本,盡可能降低 EV 變頻器的成本,但 GDIC 如何提供幫助?如圖 2 所示,在最新一代的 IGBT 中,隨著電流密度的增加,故障電流值也跟著增加。此現象即要求最新一代的 IGBT 整合 ISENSE 輸出,可以快速感測過電流條件。GDIC 可以監控 IGBT ISENSE 插針,藉此提升短路保護,以提供快速感測 (< 2 μS),並且在遇到過電流發生時將其關斷。使用雙層關斷整合,可以在故障偵測時降低閘極電壓,因此就能減少峰值故障電流。一旦確認故障,即用緩和關斷將閘極電壓溫和關閉。


GDIC 也可以增進變頻器的整體效率,藉此降低 IGBT 與印刷電路板(PCB)高溫而降低系統複雜度。其中一例就是在GDIC中整合閘極驅動電晶體。這不僅可以節省元件成本及 PCB 面積,同時也能提供充電及放電路徑的直接與獨立控制,進而大幅縮短保護延遲時間,更緊密監控閘極電壓。使用軌到軌控制以確定導通狀態及關斷狀態的電壓是否被拉至負極電源,而不是其上的二極管壓降。


另一例是使用主動米勒箝位(active Miller Clamp, AMC)功能,可以經由多種方式,將系統成本減到最低。它可以提升 IGBT 對 dv/dt 所引起之二次開啟的抗擾度。專屬的 AMC 插針讓設計者可以將通常必要的負閘極驅動電源供應省略掉。省略負極電源供應可以節省 PCB 面積,同時還可以拿掉一些元件,更重要的是它可以減少與負極電源供應有關的閘極驅動損耗。未使用負極電源供應時,可以節省 35% 的額外閘極功率,消弭閘極驅動板的高熱,以及更大的閘極驅動電源供應需求。


大幅縮小所需的 PCB 面積

IGBT 模組的大小或許可以減少,但是對診斷及安全性的要求仍持續增加。分配給驅動電路的 GDIC PCB 面積也相對減小,以配合縮小的 IGBT 尺寸。高度整合的 GDIC 可以消除或減少外部元件,藉此減少所需的面積。這可以透過整合高壓電隔離來達成;AMC 電路因此得以免除不必要的負閘極驅動電源供應;高電流閘極驅動電晶體;延遲時間強制、交叉傳導保護等。


另外,還有一些較不明顯的功能,例如閘極電源供應的後期調變也可以釋放出 PCB 面積。這可以讓電源供應輸出的組合有較少的變壓器磁芯,減少跨越直流電隔離屏障的元件數。若是 IGBT 提供ISENSE 插針,能減低 Vce 主動箝位的需求、消除主動箝位稽納二極體及相關的二極體,節省大量的面積與成本。


符合 ISO 26262 ASIL-D 指標

為了能夠與汽車安全連接,電子系統必須要可靠、安全、可使用且失效安全。新興的 ISO 26262 安全合規性標準,有可能成為多數 EV 變頻器系統的必備要求。正確的 GDIC 可以提供整合功能,以簡化系統合規性的程序,降低安全性系統所需的開發時間及複雜度。這些功能包括安全 SPI 可配置模式、訊框錯誤檢測、IGBT 開/關狀態驗證、電源供應連續監控,以及低側與高側安全邏輯介面插針。例如 AMUXIN 及 AOUT 等插針提供一個工作週期編碼訊號,以表示 IGBT 溫度、GDIC 溫度、閘極電源供應電壓,及輔助 AUMXIN 監控。這可以免除對 HV 域的外部反饋需求。最後,ISO 26262 制定嚴格的設計及文件程序,以確保產品能符合安全應用的嚴格要求。


靈活的設計與再利用

理想的閘極驅動 IC,最後一項要求是靈活的設計與再利用。IGBT 的類型、產生、尺寸、插針排列及其功能差別很大。因此,GDIC 的響應必須加以調整,以便最佳化已知 IGBT 的性能。納入「串列外設介面」(SPI)、廣泛的 GDIC 可編程性,表示無論選用何種 IGBT,其性能皆能最佳化。例如短路及過電流、過溫警告與過溫關斷等可編程功能,閘極電源供應欠壓關斷臨界值及濾波器皆可設定。此外,還可以實現 PWM 延遲時間、操作模式、故障、Vge 監控、兩層關斷電壓與時間控制。


高壓變頻器解決方案

恩智浦提供的高電壓功率 IGBT 具備先進的閘極驅動器,整合了高電壓隔離器。MC33GD3000 裝置提供電流及溫度感測功能,可搭配內含積體電流及溫度監控輸出的新型高電流密度 IGBT 模組運作。它能快速偵測需要降低短路 IGBT 壓力的過電流事件。


它在低電壓驅動電子設備與高電壓電子設備之間,整合高電壓電氣隔離,讓隔離域與非隔離域之間能進行通訊。其擁有廣泛可編程的保護及診斷功能,無論是低電壓或高電壓域,都能跟失效安全管理相容。ASIL C/D 監控與報告的 SPI 介面,能提供詳細的故障與狀態資料,符合 ISO 26262 要求。GD3000 也能提供標準監控集電極-發射極的電壓,以及去飽和臨界值關斷與箝位,而與未配備電流與溫度感測插針的 IGBT 相容。


恩智浦的動力傳動機構產品組合適合提供關鍵半導體元件給電動車及油電混合電動車系統,特別是高電壓、高電流變頻器等先進裝置。閘極驅動器仍然是供電域連接控制域的關鍵元件,有助於提高系統整合度,並降低設計成本。


(本文作者Kim Gauen任職於恩智浦資深產品工程師)


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