新能源汽車電機控制器 IGBT 模塊的驅(qū)動技術(shù)

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2022-04-02 07:25:46 7

本文介紹了大型電動汽車中，電機控制器IGBT模塊驅(qū)動電路的設(shè)計思路，闡述了IGBT模塊的特性、柵極驅(qū)動電路的設(shè)計與保護，以及IGBT模塊在正常工作中的電流、電壓、溫度保護，并提供了相應(yīng)的設(shè)計原理和驗證方案。

1. 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。

成為功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、光伏、電動汽車、智能電網(wǎng)等行業(yè)中。

在電動汽車行業(yè)中，電機控制器、輔助動力系統(tǒng)，電動空調(diào)中，IGBT有著廣泛的使用，大功率IGBT多應(yīng)用于電機控制器中，由于電動汽車電機控制器工作環(huán)境干擾比較大，IGBT的門極分布電容及實際開關(guān)中存在的米勒效應(yīng)等寄生參數(shù)的直接影響到驅(qū)動電路的可靠性[1]。

電機控制器在使用過程中，在過流、短路和過壓的情況下要對IGBT實行比較完善的保護。

過流會引起電機控制器的溫度上升，可通過溫度傳感器來進行檢測，并由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)保護；過壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時，較大的di/dt會在寄生電感上產(chǎn)生了較高的電壓，可通過采用緩沖電路來鉗制，或者適當(dāng)降低開關(guān)速率。

短路故障發(fā)生后瞬時就會產(chǎn)生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由硬件電路控制驅(qū)動電路瞬間加以保護。

因此驅(qū)動器的設(shè)計過程中，保護功能設(shè)計得是否完善，對系統(tǒng)的安全運行尤其重要。

1. IGBT 模塊的特性

1.1 開關(guān)特性

IGBT 的開關(guān)特性如圖 1 所示，IGBT 模塊在關(guān)斷時，由于漏感的存在，VCE 會產(chǎn)生尖峰高壓[2]，該電壓隨著 dv/dt 的變化而發(fā)生變化，由于開關(guān)時間隨著集電極電流、結(jié)溫、柵極電阻（Rg）的變化而變化，如果開關(guān)時間變長、柵極電阻變大時，可能會出現(xiàn)由于死區(qū)時間不足而引發(fā)橋臂直通的現(xiàn)象，使 IGBT 損壞[3]。

同時，開關(guān)損耗是在開關(guān)接通或關(guān)斷時發(fā)生，此特性隨結(jié)溫、驅(qū)動電阻的變化而變化，其中特別是 Rg 的選定非常重要，若 Rg 過大時，會使 IGBT 的開關(guān)速度減慢，能明顯減少開關(guān)過電壓尖峰，但相應(yīng)的增加了開關(guān)損耗，使 IGBT 發(fā)熱增多，反之，當(dāng) Rg 過小時，有可能會出現(xiàn)過高的尖峰電壓（=Ls X dIc/dt）,由此可知，在選定 Rg 時，驅(qū)動電路的寄生電感也應(yīng)越小越好。

1.2 電容特性

如下圖 2 所示，CGC、CGE、CCE分別為 IGBT 的極間寄生電容，Cies 稱為輸入電容，Coes 稱為輸出電容，Cres稱為逆導(dǎo)電容[4]。

圖 2 IGBT 極間寄生電容

從圖 2 中可以看出，等效輸出電容 Coes可以為 IGBT 的 C 極提供另外一條通路，因此會影響到IGBT 的集電極電壓變化，當(dāng) IGBT 關(guān)斷時，負(fù)載電流會對 Coes進行充電，此時，IGBT 集電極電壓變化率取決于負(fù)載電流對 Coes 充電的速度，由于Coes容量很小，在大電流情況下其影響可以忽略，當(dāng)負(fù)載電流較小時，會使 IGBT 集電極電壓產(chǎn)生顯著變化。

IGBT 的開通和關(guān)斷的過程可以等效為對（集電極等效輸出電容）寄生電容充電和放電的過程。

其集電極電流及開關(guān)速度對集電極電壓變化率均有影響，IGBT 電流較小時，集電極電壓的dv/dt 較小，反之，當(dāng)電流變大時，集電極電壓的 dv/dt 較大。

在 IGBT 的上下橋臂中，當(dāng)其中一個橋臂接通，另一個關(guān)斷時，關(guān)斷橋臂的 IGBT 及續(xù)流二極管上會產(chǎn)生一個 dVce/dt電壓變化，在橋臂的 IGBT 的集電極和柵極之間產(chǎn)生一個充電電流 iCG,該電流經(jīng)過寄生電容 CGC、CGE,進行充電,此時，如果 VGE大于 IGBT 開啟電壓，橋臂就有可能發(fā)生直通，造成 IGBT 損壞。

1.3 安全工作區(qū)

安全工作區(qū)（SOA）反映了一個晶體管同時承受一定電壓和電流的能力。

IGBT 開通時的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。

最大集電極電流 Icm 是根據(jù)避免動態(tài)擎住而設(shè)定的，最大集電極發(fā)射極電壓 Ucem 是由 IGBT 中晶體管的擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。

導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄。

IGBT 的反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）,它隨 IGBT 關(guān)斷時的dVCE/dt 而改變，dVCE/dt 越高，RBSOA 越窄。

2. 車用 IGBT 的模塊的驅(qū)動

2.1 柵極電阻的影響

IGBT 模塊屬于絕緣柵器件,IGBT 的柵射（或柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下會產(chǎn)生很強的振蕩，需要串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。

IGBT 的開通和關(guān)斷過程主要是對寄生電容或電感充電和放電的過程，電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多；同時，柵極電阻還可以調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度，但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，IGBT 承受的浪涌電壓和電流增大, 實際車用環(huán)境中，柵極電阻最好使用無感電阻，如果是普通電阻，可以用幾個電阻并聯(lián)代替，一方面可以減小回路電感及其對驅(qū)動電壓波形的影響，另一方面多個電阻可以分擔(dān)驅(qū)動電流、有利于增強熱擴散，如果單個電阻損壞時系統(tǒng)也可臨時運行，避免損壞 IGBT。

IGBT 驅(qū)動時,干擾信號會導(dǎo)致柵極信號被破壞,產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)浪涌電壓,相對于 IGBT 的 VGE產(chǎn)生極短的阻斷脈沖時,其支路側(cè)的續(xù)流快速二極管導(dǎo)通,極短的時間內(nèi)進入了反向恢復(fù)狀態(tài),在反向恢復(fù)過程中,會在充分積累載流子才進入反向恢復(fù)狀態(tài),此時,如果有干擾窄脈沖出現(xiàn),快速續(xù)流二極管還沒充分積累載流子就進入了反向恢復(fù)狀態(tài),耗盡層迅速擴大,使其產(chǎn)生強烈的 di/dt ,dv/dt,在窄脈沖反向恢復(fù)時,IGBT的 GE 間會產(chǎn)生很高的反向恢復(fù)浪涌電壓,此時,可通過增大柵極輸入電阻 RG,減低輸入電路電感,強化緩沖電路,外加鉗位電路等手段來降低浪涌電壓.

2.2 柵極驅(qū)動電路

由于 IGBT 的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響 IGBT 能否正常工作。

為使 IGBT 能可靠工作。

驅(qū)動電路應(yīng)向 IGBT 提供適當(dāng)?shù)恼驏艍骸?nbsp;

在 IGBT 導(dǎo)通后。

驅(qū)動電路提供給 IGBT 的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使 IGBT的功率輸出級一直處于飽和狀態(tài)。

在模塊瞬間過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT 不退出飽和區(qū)。

IGBT 導(dǎo)通后的管壓降與所加 VGE電壓有關(guān)，在ICE電流一定的情況下，VGE 越高，VCE值就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。

但是，VGE 并非越高越好，一般不允許超過 20 V，因為一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT 損壞的可能性就越大。

通常，綜合考慮取+15V 為宜。

IGBT 柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。

因此，在驅(qū)動電路與柵極之間要有電壓限幅電路，使柵壓過高時，保護柵極不被擊穿。

電動汽車電機控制器為三相全橋驅(qū)動，需要 6組 IGBT 來驅(qū)動三相的橋臂工作在 PWM 狀態(tài)下，每個 IGBT 模塊均需要一個與其它模塊相互隔離的供電電源。

為了提高集成度和降低成本，常采用SG3525 等 PWM 控制芯片實現(xiàn)雙路信號 PWM 波輸出,驅(qū)動脈沖變壓器，產(chǎn)生雙路電源，如圖 3所示,圖中 U3 是 SG3525，一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成 PWM 控制芯片,輸出兩路占空比互補的 PWM 信號，簡單可靠使用方便靈活,輸出驅(qū)動為推拉輸出形式,增加了驅(qū)動能力;內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM 鎖存器,有過流保護功能,頻率可調(diào),同時能限制最大占空比.為了實現(xiàn)電壓隔離，PWM 控制工作在開環(huán)狀態(tài)，調(diào)整脈沖變壓器 TR20 的匝數(shù)比，使其上邊繞組輸出電壓經(jīng)由 D20、D21、D22、D23 組成的整流橋整流后得到+18V 左右，+18V 再通過一個可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器 U20，將其正電壓穩(wěn)定在+15V，為柵極驅(qū)動電路提供正工作電源。

圖3 柵極驅(qū)動電源

在 IGBT 關(guān)斷時，由于電路中其他部分仍然工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的 IGBT 處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。

重則將使電源電路處于短路直通狀態(tài)。

因此，在 IGBT 關(guān)斷期間，驅(qū)動電路應(yīng)能向 IGBT 提供足夠的反向柵壓。

調(diào)整脈沖變壓器 TR20 的匝數(shù)比，使其下邊繞組輸出電壓經(jīng)由D24、D25、D26、D27 組成的整流橋整流后得到-10V，該-10V 電壓給處于截止?fàn)顟B(tài)的 IGBT 施加反向柵壓，確保了 IGBT 在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。

2.3 柵極驅(qū)動的隔離與保護

在電動客車等大型車輛中，由于電機控制器的輸出功率較大，需要的驅(qū)動電流也較大，在車輛急加速或制動的情況下，瞬間沖擊電流可達(dá)幾百安培，常采用兩個 IGBT 模塊并聯(lián)或采用大功率 IGBT來提高輸出功率。如圖 4 所示。

圖中輸入信號PWM1A 、PWM1B 分別用于驅(qū)動 IGBT 模塊 U1 和U2的上橋臂和下橋臂，IGBT 模塊 U1 和 U2 的上橋臂連接到PWM1A 的圖騰柱電路輸出端，IGBT 模塊 U1和 U2 的下橋臂連接到 PWM1B 的圖騰柱電路輸出端，當(dāng)前端信號 PWM1A 輸入時，兩個上橋臂同時導(dǎo)通，下橋臂同時關(guān)斷，反之則下橋臂同時導(dǎo)通，上橋臂同時關(guān)斷。

采用兩個 IGBT 模塊并聯(lián)，增加了 IGBT 模塊的輸出電流，使其輸出功率得到增加。

工作過程中,為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞 IGBT，可在 G、E 之間設(shè)置一些保護元件，如圖 5 所示。

電阻 R112、R212、R122、R222 的作用是使柵極積累電荷泄放[5]；兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管 D111、D112，D211、D212，D121、D122，D221、D222。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。

圖中的 DEC1 和 DEC2是驅(qū)動模塊 M57962L對 IGBT 的故障檢測信號，DEC1 和 DEC2 通過二極管和電阻后，DEC1 接到 IGBT 的 C端，DEC2 接到IGBT 的 E 端。

圖 4 雙管并聯(lián) IGBT 輸出電路

圖 5 M57962L 隔離驅(qū)動電路

由于電動汽車動力電池電壓較高，IGBT 的工作環(huán)境處于高電壓、大電流場合。

要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。

驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，三菱公司的M57962L 專用IGBT 驅(qū)動電路，采用快速光偶進行光電偶合實現(xiàn)電氣隔離，該厚膜電路信號傳輸延時時間短，信號跳變延遲時間低于1.5us,最高工作頻率 20KHz,采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，供電電源采用+15V/-10V雙電壓進行供電，使輸出的負(fù)柵壓比較高[6]。

如圖 5 所示，每個 IGBT 的橋臂采用兩個 M57962L，圖中 U1 驅(qū)動上橋臂的 IGBT， U2 驅(qū)動下橋臂的IGBT，DEC1 和 DEC2 是圖 4中 IGBT 故障信號檢測，當(dāng)檢測到故障后，M57962L 一方面會關(guān)斷 IGBT，另一方面在 M57962L 的 8 腳輸出故障信號經(jīng)光耦PC10、PC20 隔離后反饋給 CPU；另外，在 M57962L的 PWM 輸入端采用了一個硬件互鎖電路，當(dāng)其中一個半橋輸入信號為高電平時，同時將另一個半橋的輸入信號拉低，防止因為輸入信號異常發(fā)生兩個驅(qū)動光偶均導(dǎo)通的現(xiàn)象。

保證了電路能安全可靠工作。

3. 車用電機控制器 IGBT 的保護

3.1 車用電機控制器 IGBT 的過壓與浪涌保護

電動汽車的電機控制器在使用過程中，由于加速制動頻繁，電動汽車在進行回饋制動時，電動機轉(zhuǎn)變成發(fā)電狀態(tài)，饋送到直流母線上的能量比較大。

此時電動汽車直流母線上的電壓除了由動力電池提供的部分之外，還疊加有回饋制動時產(chǎn)生的回饋電壓，經(jīng)過實際測試，在直流母線電壓為 538V 的系統(tǒng)中，進行能量回饋時，其最大峰值電壓超過800V，同時，IGBT 關(guān)斷過程中以及與之并接的續(xù)流二極管反向恢復(fù)時集電極 di/dt 在主電路的分布電感上也會產(chǎn)生高幅值的過電壓。

穩(wěn)態(tài)的過壓通過相應(yīng)的硬件電路進行檢測，由主控 CPU 進行有相應(yīng)的保護，瞬態(tài)的脈動直流過壓，則通過 DC-Link 電容進行電壓吸收和內(nèi)部 RC 或RCD 吸收網(wǎng)絡(luò)對 IGBT 主電路進行緩沖保護。

DC-Link 的 ESL 低，承受浪涌電壓高,最高電壓可達(dá) 1200V，可承受紋波電流也較大，IGBT 工作在PWM 狀態(tài)下，需要系統(tǒng)能夠提供相當(dāng)大的脈動電流，DC-Link 能提供有效值 40A 以上的脈動電流,

且不受開關(guān)時產(chǎn)生的過電壓影響，確保直流母線上的電壓波動保持在允許范圍。

3.2 車用電機控制器 IGBT 的應(yīng)用

在電動汽車的實際應(yīng)用環(huán)境中,由于電機的功率較大,IGBT的瞬態(tài)沖擊電流有可能達(dá)到 700A以上,我們采用富士公司的兩只2MBI450VN-120-50IGBT 進行并聯(lián)輸出(該 IGBT的特性參數(shù)如表一所示),使并聯(lián)后的 IGBT輸出電流達(dá) 900A左右,能夠滿足車輛使用電流要求, 2MBI450VN 的電氣特性參數(shù)如表 1 所示,

為了避免雜散分布電容對 IGBT 柵極驅(qū)動電路產(chǎn)生干擾,我們將驅(qū)動電路板直接焊接在兩個IGBT 的模塊的輸入引腳上,并在柵極輸入端并聯(lián)去振蕩電容、雙向限幅電路，在 IGBT 承受短路電流時，如果能及時關(guān)斷它，則可以對 IGBT 進行有效保護。

識別 IGBT 是否過流的方法之一，就是檢測其管壓降 VCE 的大小。

IGBT 在開通時，若 VCE 過高則發(fā)生短路，需立即關(guān)斷 IGBT。

在過流關(guān)斷 IGBT 時，由于 IGBT中電流幅度大，若快速關(guān)斷時，必將產(chǎn)生Ldi/dt 過高，在 IGBT 兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極易損壞IGBT，因此就產(chǎn)生了“軟慢關(guān)斷”方法。

M57962L 驅(qū)動電路就是依照上述理論進行設(shè)計的。

當(dāng)過載或短路時， IGBT 的集電極電位升高，經(jīng)外接二極管流入檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動作，切斷 IGBT 的柵極驅(qū)動信號，同時在“8”腳輸出低電平“過載/短路”指示信號。

圖7 為 IGBT 工作時，IGBT 開通、關(guān)斷時的電壓、電流波形圖，從圖中可以看出，隨著柵極電壓升高，其 C 極電流上升，同時 VCE電壓下降，當(dāng) IGBT 關(guān)斷時，柵壓為負(fù)壓，C 極電流下降，VCE電壓上升到電源電壓。

圖 7 IGBT 開通關(guān)斷電壓、電流波形圖

4. 結(jié) 論

本文從實際應(yīng)用出發(fā)，闡述了電動汽車電機控制器 IGBT 模塊驅(qū)動電路的設(shè)計思路，總結(jié)了IGBT 模塊的特性、柵極驅(qū)動電路的設(shè)計與保護，以及 IGBT 模塊在正常工作中的電流、電壓、溫度保護中存在的問題和保護方法，并提供了相應(yīng)的設(shè)計原理和驗證方案。

經(jīng)過實際驗證證明，該電路可靠、實用、安全、可普遍適用于各種大型電動汽車電機控制器設(shè)計中，具有很大的應(yīng)用前景。

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