采用符合 ASIL－D 标准的栅极驱动器满足汽车功能安全要求

Scale EV 系列栅极驱动器是符合汽车标准的双通道即插即用驱动器。这些电路板兼容碳化硅 MOSFET 和硅 IGBT。电动、混合动力和燃料电池汽车（例如公共汽车和卡车）以及建筑、采矿和农业设备都可以从使用高功率汽车和牵引逆变器中受益。这些电路板具有 ASIL 就绪性，使其适合 ASIL-D 牵引逆变器的设计和执行。

电池电动汽车 (BEV) 涵盖的车辆数量不断增加，从小型四轮车到大型商用车，配备的电池电压从 48 V 到 800 V 甚至更高。

与纯电动汽车驾驶相关的关键的安全问题可分为四类：

阻断驱动器
意外加速
意外减速
扭矩损失

应通过分析剩余风险并实施适当的安全功能将其降低到可接受水平来解决这些功能安全问题。安全功能的示例包括扭矩关闭、安全限速和安全限扭矩。

现在让我们考虑一下典型的 BEV 牵引逆变器的框图，如图 1 所示。图的上方显示了 ASIL 级功能安全子组件，其中包括电源单元、电机控制块和栅极驱动器。

图 1：典型 BEV 逆变器的框图（来源：Cramer，M.，2024）

图 1 底部显示了电源块（电池、输入滤波器、两级三相逆变器、电流监控和三相电机）。逆变器可以用 IGBT 或 SiC 功率开关实现。

安全要求会影响功率半导体的可靠性和使用寿命。对于栅极驱动器来说尤其如此，因为功率器件的尺寸、重量、成本和预期功率输出会导致热应力，从而缩短驱动系统的整体使用寿命。因此，需要仔细监控每个功率半导体的操作，以避免可能影响功能安全目标的不可预测行为。

纯电动汽车的功能安全挑战

以下段落将描述影响纯电动汽车功能安全的主要挑战。针对每个挑战，我们将了解如何降低其风险以达到所需的安全级别。

磁场减弱

为了在较高速度下保持扭矩输出，扩大电机的运行范围并提高车辆的整体性能，通常采用磁场减弱技术。磁场减弱技术用于电动汽车电机，特别是永磁同步电机 (PMSM)，用于将电机的速度范围扩大到额定速度以上。

PMSM 的转速受永磁体产生的反电动势 (EMF) 限制。随着电机加速，反电动势同样上升，终达到等于电源电压的阈值。这种现象导致电机无法产生扭矩并有效实现其速度。

磁场减弱过程需要刻意降低电机内永磁体产生的磁场强度。这通常是通过减少提供给电机励磁绕组的电流来实现的。通过衰减磁场，反电动势会减小，使电机能够以较高的速度运行，而不会遇到反电动势的限制。

然而，磁场减弱期间失去控制会导致电机变成发电机，从而导致能量不受控制地传输回电池，并对车轮施加不可预测的负扭矩。这是功能安全面临的个挑战。

为了减轻采用磁场削弱技术带来的风险，Scale EV 栅极驱动器中采用了一种称为主动短路 (ASC) 的技术。在车辆运行期间，PMSM 将产生电力并将其供应给直流链路，而无需任何主动控制。由于 MOSFET 体二极管用作电机产生的 EMF 电压的整流电路，因此系统设计人员必须确保直流链路电压保持在可接受的范围内，以防止任何潜在的系统损坏或故障。

ASC 为 EMF 电压产生的电流提供一条受控且不受限制的路径。在三相逆变器中，栅极驱动器上的 ASC 用于通过激活所有顶部 MOSFET 或所有底部 MOSFET 将电机连接到直流正极或直流负极端子。

断电直流总线

在事故发生期间或之后，或者出于维护目的，必须尽快将连接到电池的主电源总线放电至安全状态。Power Integrations 的 Scale EV 门极驱动器提供主动放电功能，专门为此目的而开发。

通过这种技术，直流母线总线中的残余能量将通过逆变器功率半导体快速消散，从而提供经济高效且可靠的解决方案。为了保护在维护或维修期间在车辆上工作的机械师，并保护事故现场的应急工作人员，直流母线储能电容器中的能量必须在停机或发生灾难性故障后五秒内释放。

由于安装在纯电动汽车中的直流母线电容器体积很大，并且储存了大量的能量，因此解决这一需求的典型解决方案是由电阻器阵列组成的电路来放电电容器。图 2 显示了有源放电电路的一个示例。请注意，这款 400V 逆变器由 85 个电子元件组成。

采用符合 ASIL-D 标准的栅极驱动器满足汽车功能安全要求

图 2：（来源：Cramer，M.，2024 年）

然而，对于其 Scale EV 产品系列，Power Integrations 采用了不同的技术，其中上侧 IGBT 用作放电路径。上侧 IGBT 导通，而下侧器件由 PWM 信号驱动。这种方法提供了三重冗余操作，因为所有三个 IGBT 同时参与主动放电功能1。

监测重要参数和效率

汽车牵引逆变器旨在集成各种功能和监控能力，以保持系统的安全性和可靠性。这些功能包括：

和二次过压 (OV)/欠压 (UV)/过流 (OC)/温度监控：牵引逆变器配备和二次过压、欠压、过流和温度监控系统。这些监控系统对于确保逆变器在规定的电压和温度范围内安全高效运行至关重要。

主数据链路和辅助数据链路：逆变器集成了主数据链路和辅助数据链路系统，以促进系统内的通信和数据交换。这确保了关键信息的可靠传输和接收，有助于系统的整体安全性和完整性。

栅极监控：这是汽车牵引逆变器的一项基本功能。它涉及对栅极信号的持续监控，以确保逆变器内功率半导体器件的正常运行和控制。

温度监控：监控功率半导体器件以及周围环境的温度，以防止过热并确保逆变器的运行状态。

去饱和/过流保护：这些机制用于检测和减轻与去饱和和过流情况相关的潜在故障。

逆变器效率还可以通过先进的电阻过压控制 (AROC) 技术进行优化，该技术可响应任何严重故障执行受控软关断。AROC 可调整栅极驱动器，以在短路期间安全地限制过压。在正常运行期间，切换速度更快，从而限度地提高效率。在紧急情况下，电压保持在安全限值内。