新能源汽車電機控制器 IGBT 模塊的驅動技術

發布時間：2022-04-01作者來源：薩科微瀏覽：3119

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

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（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。

成為功率半導體器件發展的主流，廣泛應用于風電、光伏、電動汽車、智能電網等行業中。

在電動汽車行業中，電機控制器、輔助動力系統，電動空調中，IGBT有著廣泛的使用，大功率IGBT多應用于電機控制器中，由于電動汽車電機控制器工作環境干擾比較大，IGBT的門極分布電容及實際開關中存在的米勒效應等寄生參數的直接影響到驅動電路的可靠性[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，并由相應的電路來實現保護；過壓一般發生在IGBT關斷時，較大的di/dt會在寄生電感上產生了較高的電壓，可通過采用緩沖電路來鉗制，或者適當降低開關速率。

短路故障發生后瞬時就會產生極大的電流，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動電路瞬間加以保護。

因此驅動器的設計過程中，保護功能設計得是否完善，對系統的安全運行尤其重要。

1. IGBT 模塊的特性

1.1 開關特性

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

同時，開關損耗是在開關接通或關斷時發生，此特性隨結溫、驅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 的開關速度減慢，能明顯減少開關過電壓尖峰，但相應的增加了開關損耗，使 IGBT 發熱增多，反之，當 Rg 過小時，有可能會出現過高的尖峰電壓（=Ls X dIc/dt）,由此可知，在選定 Rg 時，驅動電路的寄生電感也應越小越好。

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 IGBT 關斷時，負載電流會對 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，當負載電流較小時，會使 IGBT 集電極電壓產生顯著變化。

IGBT 的開通和關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，當電流變大時，集電極電壓的 dv/dt 較大。

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

1.3 安全工作區

安全工作區（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（FBSOA），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。

[敏感詞]集電極電流 Icm 是根據避免動態擎住而設定的，[敏感詞]集電極發射極電壓 Ucem 是由 IGBT 中晶體管的擊穿電壓所確定，[敏感詞]功耗則是由[敏感詞]允許結溫所決定。

導通時間越長，發熱越嚴重，安全工作區則越窄。

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

2. 車用 IGBT 的模塊的驅動

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）極之間是容性結構，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅動器驅動脈沖的激勵下會產生很強的振蕩，需要串聯一個電阻加以迅速衰減。

IGBT 的開通和關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，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內部的輸出管上，使其溫度上升很多；同時，柵極電阻還可以調節功率開關器件的通斷速度，但驅動速度過快將使開關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, 實際車用環境中，柵極電阻[敏感詞]使用無感電阻，如果是普通電阻，可以用幾個電阻并聯代替，一方面可以減小回路電感及其對驅動電壓波形的影響，另一方面多個電阻可以分擔驅動電流、有利于增強熱擴散，如果單個電阻損壞時系統也可臨時運行，避免損壞 IGBT。

IGBT 驅動時,干擾信號會導致柵極信號被破壞,產生較大的反向恢復浪涌電壓,相對于 IGBT 的 VGE產生極短的阻斷脈沖時,其支路側的續流快速二極管導通,極短的時間內進入了反向恢復狀態,在反向恢復過程中,會在充分積累載流子才進入反向恢復狀態,此時,如果有干擾窄脈沖出現,快速續流二極管還沒充分積累載流子就進入了反向恢復狀態,耗盡層迅速擴大,使其產生強烈的 di/dt ,dv/dt,在窄脈沖反向恢復時,IGBT的 GE 間會產生很高的反向恢復浪涌電壓,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 柵極驅動電路

由于 IGBT 的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅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。

驅動電路應向 IGBT 提供適當的正向柵壓。

在 IGBT 導通后。

驅動電路提供給 IGBT 的驅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。

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

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

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，驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。

因此，在驅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動，需要 6組 IGBT 來驅動三相的橋臂工作在 PWM 狀態下，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 控制芯片實現雙路信號 PWM 波輸出,驅動脈沖變壓器，產生雙路電源，如圖 3所示,圖中 U3 是 SG3525，一種性能優良、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,輸出驅動為推拉輸出形式,增加了驅動能力;內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,同時能限制[敏感詞]占空比.為了實現電壓隔離，PWM 控制工作在開環狀態，調整脈沖變壓器 TR20 的匝數比，使其上邊繞組輸出電壓經由 D20、D21、D22、D23 組成的整流橋整流后得到+18V 左右，+18V 再通過一個可調節穩壓器 U20，將其正電壓穩定在+15V，為柵極驅動電路提供正工作電源。

圖3 柵極驅動電源

在 IGBT 關斷時，由于電路中其他部分仍然工作，會在柵極電路中產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，增加管子的功耗。

重則將使電源電路處于短路直通狀態。

因此，在 IGBT 關斷期間，驅動電路應能向 IGBT 提供足夠的反向柵壓。

調整脈沖變壓器 TR20 的匝數比，使其下邊繞組輸出電壓經由D24、D25、D26、D27 組成的整流橋整流后得到-10V，該-10V 電壓給處于截止狀態的 IGBT 施加反向柵壓，確保了 IGBT 在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。

2.3 柵極驅動的隔離與保護

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，瞬間沖擊電流可達幾百安培，常采用兩個 IGBT 模塊并聯或采用大功率 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，當前端信號 PWM1A 輸入時，兩個上橋臂同時導通，下橋臂同時關斷，反之則下橋臂同時導通，上橋臂同時關斷。

采用兩個 IGBT 模塊并聯，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、柵源電壓出現尖峰損壞 IGBT，可在 G、E 之間設置一些保護元件，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]；兩個反向串聯的穩壓二極管 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 IGBT 輸出電路

圖 5 M57962L 隔離驅動電路

由于電動汽車動力電池電壓較高，IGBT 的工作環境處于高電壓、大電流場合。

要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。

驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離，三菱公司的M57962L 專用IGBT 驅動電路，采用快速光偶進行光電偶合實現電氣隔離，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,[敏感詞]工作頻率 20KHz,采用雙電源驅動技術，供電電源采用+15V/-10V雙電壓進行供電，使輸出的負柵壓比較高[6]。

如圖 5 所示，每個 IGBT 的橋臂采用兩個 M57962L，圖中 U1 驅動上橋臂的 IGBT， U2 驅動下橋臂的IGBT，DEC1 和 DEC2 是圖 4中 IGBT 故障信號檢測，當檢測到故障后，M57962L 一方面會關斷 IGBT，另一方面在 M57962L 的 8 腳輸出故障信號經光耦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生兩個驅動光偶均導通的現象。

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，電動機轉變成發電狀態，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生的回饋電壓，經過實際測試，在直流母線電壓為 538V 的系統中，進行能量回饋時，其[敏感詞]峰值電壓超過800V，同時，IGBT 關斷過程中以及與之并接的續流二極管反向恢復時集電極 di/dt 在主電路的分布電感上也會產生高幅值的過電壓。

穩態的過壓通過相應的硬件電路進行檢測，由主控 CPU 進行有相應的保護，瞬態的脈動直流過壓，則通過 DC-Link 電容進行電壓吸收和內部 RC 或RCD 吸收網絡對 IGBT 主電路進行緩沖保護。

DC-Link 的 ESL 低，承受浪涌電壓高,[敏感詞]電壓可達 1200V，可承受紋波電流也較大，IGBT 工作在PWM 狀態下，需要系統能夠提供相當大的脈動電流，DC-Link 能提供有效值 40A 以上的脈動電流,

且不受開關時產生的過電壓影響，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 的應用

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