8 直流链路有源放电

每个电动汽车牵引逆变器都需要一个直流链路有源放电作为安全关键型功能。在以下条件和要求下，需要使用放电电路释放直流链路电容器中的能量：

• 在紧急情况下或维修期间，系统中的电压必须在 2-5 秒内可安全触摸。紧急情况响应必须在没有 MCU 的情况下运行，并且在本地（例如在牵引逆变器内部）运行。
• 在车辆熄火时，所有系统仍保持运行，放电将在几分钟内完成。
• ASIL D 的系统级安全要求

TI 提供多种有源放电设计，可满足不同的系统级要求。通常，有源放电耗散方法可分为三类：电阻放电、通过功率级放电或通过电机绕组放电。

在电阻放电方法中，虽然采用泄放电阻器可以实现放电，但该电阻器始终会消耗电流，并且放电速度可能过慢。因此，可以使用开关电阻器。使用开关电阻器时，通断控制和 PWM 开关控制可通过以下方式实现：

• 使用 TPSI3100-Q1 器件实现功率晶体管通断控制。TPSI3100-Q1 增强型隔离式开关驱动器采用集成式 17V 栅极电源，能够驱动放电电源开关，而无需次级偏置电源，因为该器件通过由初级偏置电源供电，集成了次级偏置电源。当与外部电源开关相结合时，该器件可构成完整的隔离式固态继电器配置。内部双通道高速比较器可实现具有多种诊断功能的通信反向通道。
• 使用 AFE539F1-Q1 器件实现受控 PWM。AFE539F1-Q1 智能 AFE 器件具有用于 PWM 和自定义波形发生器的内置非易失性存储器。该器件增加了编程功能和逻辑，支持在没有 MCU 的情况下运行。图 8-1 展示了使用 AFE539F1-Q1 器件时的直流链路放电示波器屏幕截图。通道 1（黄色）表示 AFE359F1-Q1 输出，通道 2（粉色）表示电压从 950V 下降到 0V。通道 3（蓝色）表示栅极驱动器的 EN 信号输入，该输入会启动有源放电，通道 4（绿色）表示 SiC FET 漏源电流。

图 8-1 基于智能 AFE 的直流链路有源放电（左）和测试波形（右）

可通过电机绕组进行能量放电。可以将基于绕组的放电分成多个级。这些级包括快速放电级或总线电压调节级。生成较大的 d 轴负电流会快速降低直流链路能量，而 q 轴电流必须为零。TI Sitara™ 或 C2000™ MCU 的快速环路控制和安全隔离式栅极驱动器具有串行外设接口 (SPI) 可编程性，同时六个 ADC 通道可提供可靠且平稳的受控放电。尽管此设计可能具有成本效益，但它需要一个功能齐全的系统，涵盖从 MCU 到偏置电源和栅极驱动器的全部环节。

牵引逆变器设计的一个新兴趋势是通过功率级放电。在该方法中，功率级的脉冲工作模式允许通过 MOSFET 的线性区域放电，其中 MOSFET 充当电阻器。为此，栅极驱动器需要非常精确的栅极控制和高频脉冲操作，以避免对 MOSFET 造成过应力。或者，栅极驱动器也可以采用脉冲短路工作模式，对直流链路电压进行放电。