新能源汽车电机控制器 IGBT 模块的驱动技术

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2022-04-02 07:25:46 8

本文介绍了大型电动汽车中，电机控制器IGBT模块驱动电路的设计思路，阐述了IGBT模块的特性、栅极驱动电路的设计与保护，以及IGBT模块在正常工作中的电流、电压、温度保护，并提供了相应的设计原理和验证方案。

1. 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

成为功率半导体器件发展的主流，广泛应用于风电、光伏、电动汽车、智能电网等行业中。

在电动汽车行业中，电机控制器、辅助动力系统，电动空调中，IGBT有着广泛的使用，大功率IGBT多应用于电机控制器中，由于电动汽车电机控制器工作环境干扰比较大，IGBT的门极分布电容及实际开关中存在的米勒效应等寄生参数的直接影响到驱动电路的可靠性[1]。

电机控制器在使用过程中，在过流、短路和过压的情况下要对IGBT实行比较完善的保护。

过流会引起电机控制器的温度上升，可通过温度传感器来进行检测，并由相应的电路来实现保护；过压一般发生在IGBT关断时，较大的di/dt会在寄生电感上产生了较高的电压，可通过采用缓冲电路来钳制，或者适当降低开关速率。

短路故障发生后瞬时就会产生极大的电流，很快就会损坏IGBT，主控制板的过流保护根本来不及，必须由硬件电路控制驱动电路瞬间加以保护。

因此驱动器的设计过程中，保护功能设计得是否完善，对系统的安全运行尤其重要。

1. IGBT 模块的特性

1.1 开关特性

IGBT 的开关特性如图 1 所示，IGBT 模块在关断时，由于漏感的存在，VCE 会产生尖峰高压[2]，该电压随着 dv/dt 的变化而发生变化，由于开关时间随着集电极电流、结温、栅极电阻（Rg）的变化而变化，如果开关时间变长、栅极电阻变大时，可能会出现由于死区时间不足而引发桥臂直通的现象，使 IGBT 损坏[3]。

同时，开关损耗是在开关接通或关断时发生，此特性随结温、驱动电阻的变化而变化，其中特别是 Rg 的选定非常重要，若 Rg 过大时，会使 IGBT 的开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使 IGBT 发热增多，反之，当 Rg 过小时，有可能会出现过高的尖峰电压（=Ls X dIc/dt）,由此可知，在选定 Rg 时，驱动电路的寄生电感也应越小越好。

1.2 电容特性

如下图 2 所示，CGC、CGE、CCE分别为 IGBT 的极间寄生电容，Cies 称为输入电容，Coes 称为输出电容，Cres称为逆导电容[4]。

图 2 IGBT 极间寄生电容

从图 2 中可以看出，等效输出电容 Coes可以为 IGBT 的 C 极提供另外一条通路，因此会影响到IGBT 的集电极电压变化，当 IGBT 关断时，负载电流会对 Coes进行充电，此时，IGBT 集电极电压变化率取决于负载电流对 Coes 充电的速度，由于Coes容量很小，在大电流情况下其影响可以忽略，当负载电流较小时，会使 IGBT 集电极电压产生显著变化。

IGBT 的开通和关断的过程可以等效为对（集电极等效输出电容）寄生电容充电和放电的过程。

其集电极电流及开关速度对集电极电压变化率均有影响，IGBT 电流较小时，集电极电压的dv/dt 较小，反之，当电流变大时，集电极电压的 dv/dt 较大。

在 IGBT 的上下桥臂中，当其中一个桥臂接通，另一个关断时，关断桥臂的 IGBT 及续流二极管上会产生一个 dVce/dt电压变化，在桥臂的 IGBT 的集电极和栅极之间产生一个充电电流 iCG,该电流经过寄生电容 CGC、CGE,进行充电,此时，如果 VGE大于 IGBT 开启电压，桥臂就有可能发生直通，造成 IGBT 损坏。

1.3 安全工作区

安全工作区（SOA）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。

IGBT 开通时的正向偏置安全工作区（FBSOA），由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。

最大集电极电流 Icm 是根据避免动态擎住而设定的，最大集电极发射极电压 Ucem 是由 IGBT 中晶体管的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。

导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄。

IGBT 的反向偏置安全工作区（RBSOA）,它随 IGBT 关断时的dVCE/dt 而改变，dVCE/dt 越高，RBSOA 越窄。

2. 车用 IGBT 的模块的驱动

2.1 栅极电阻的影响

IGBT 模块属于绝缘栅器件,IGBT 的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下会产生很强的振荡，需要串联一个电阻加以迅速衰减。

IGBT 的开通和关断过程主要是对寄生电容或电感充电和放电的过程，电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多；同时，栅极电阻还可以调节功率开关器件的通断速度，但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，IGBT 承受的浪涌电压和电流增大, 实际车用环境中，栅极电阻最好使用无感电阻，如果是普通电阻，可以用几个电阻并联代替，一方面可以减小回路电感及其对驱动电压波形的影响，另一方面多个电阻可以分担驱动电流、有利于增强热扩散，如果单个电阻损坏时系统也可临时运行，避免损坏 IGBT。

IGBT 驱动时,干扰信号会导致栅极信号被破坏,产生较大的反向恢复浪涌电压,相对于 IGBT 的 VGE产生极短的阻断脉冲时,其支路侧的续流快速二极管导通,极短的时间内进入了反向恢复状态,在反向恢复过程中,会在充分积累载流子才进入反向恢复状态,此时,如果有干扰窄脉冲出现,快速续流二极管还没充分积累载流子就进入了反向恢复状态,耗尽层迅速扩大,使其产生强烈的 di/dt ,dv/dt,在窄脉冲反向恢复时,IGBT的 GE 间会产生很高的反向恢复浪涌电压,此时,可通过增大栅极输入电阻 RG,减低输入电路电感,强化缓冲电路,外加钳位电路等手段来降低浪涌电压.

2.2 栅极驱动电路

由于 IGBT 的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响 IGBT 能否正常工作。

为使 IGBT 能可靠工作。

驱动电路应向 IGBT 提供适当的正向栅压。

在 IGBT 导通后。

驱动电路提供给 IGBT 的驱动电压和电流要有足够的幅度，使 IGBT的功率输出级一直处于饱和状态。

在模块瞬间过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT 不退出饱和区。

IGBT 导通后的管压降与所加 VGE电压有关，在ICE电流一定的情况下，VGE 越高，VCE值就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。

但是，VGE 并非越高越好，一般不允许超过 20 V，因为一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT 损坏的可能性就越大。

通常，综合考虑取+15V 为宜。

IGBT 栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

因此，在驱动电路与栅极之间要有电压限幅电路，使栅压过高时，保护栅极不被击穿。

电动汽车电机控制器为三相全桥驱动，需要 6组 IGBT 来驱动三相的桥臂工作在 PWM 状态下，每个 IGBT 模块均需要一个与其它模块相互隔离的供电电源。

为了提高集成度和降低成本，常采用SG3525 等 PWM 控制芯片实现双路信号 PWM 波输出,驱动脉冲变压器，产生双路电源，如图 3所示,图中 U3 是 SG3525，一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 控制芯片,输出两路占空比互补的 PWM 信号，简单可靠使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器,有过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比.为了实现电压隔离，PWM 控制工作在开环状态，调整脉冲变压器 TR20 的匝数比，使其上边绕组输出电压经由 D20、D21、D22、D23 组成的整流桥整流后得到+18V 左右，+18V 再通过一个可调节稳压器 U20，将其正电压稳定在+15V，为栅极驱动电路提供正工作电源。

图3 栅极驱动电源

在 IGBT 关断时，由于电路中其他部分仍然工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的 IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗。

重则将使电源电路处于短路直通状态。

因此，在 IGBT 关断期间，驱动电路应能向 IGBT 提供足够的反向栅压。

调整脉冲变压器 TR20 的匝数比，使其下边绕组输出电压经由D24、D25、D26、D27 组成的整流桥整流后得到-10V，该-10V 电压给处于截止状态的 IGBT 施加反向栅压，确保了 IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

2.3 栅极驱动的隔离与保护

在电动客车等大型车辆中，由于电机控制器的输出功率较大，需要的驱动电流也较大，在车辆急加速或制动的情况下，瞬间冲击电流可达几百安培，常采用两个 IGBT 模块并联或采用大功率 IGBT来提高输出功率。如图 4 所示。

图中输入信号PWM1A 、PWM1B 分别用于驱动 IGBT 模块 U1 和U2的上桥臂和下桥臂，IGBT 模块 U1 和 U2 的上桥臂连接到PWM1A 的图腾柱电路输出端，IGBT 模块 U1和 U2 的下桥臂连接到 PWM1B 的图腾柱电路输出端，当前端信号 PWM1A 输入时，两个上桥臂同时导通，下桥臂同时关断，反之则下桥臂同时导通，上桥臂同时关断。

采用两个 IGBT 模块并联，增加了 IGBT 模块的输出电流，使其输出功率得到增加。

工作过程中,为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏 IGBT，可在 G、E 之间设置一些保护元件，如图 5 所示。

电阻 R112、R212、R122、R222 的作用是使栅极积累电荷泄放[5]；两个反向串联的稳压二极管 D111、D112，D211、D212，D121、D122，D221、D222。是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。

图中的 DEC1 和 DEC2是驱动模块 M57962L对 IGBT 的故障检测信号，DEC1 和 DEC2 通过二极管和电阻后，DEC1 接到 IGBT 的 C端，DEC2 接到IGBT 的 E 端。

图 4 双管并联 IGBT 输出电路

图 5 M57962L 隔离驱动电路

由于电动汽车动力电池电压较高，IGBT 的工作环境处于高电压、大电流场合。

要求有足够的输入、输出电隔离能力。

驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，三菱公司的M57962L 专用IGBT 驱动电路，采用快速光偶进行光电偶合实现电气隔离，该厚膜电路信号传输延时时间短，信号跳变延迟时间低于1.5us,最高工作频率 20KHz,采用双电源驱动技术，供电电源采用+15V/-10V双电压进行供电，使输出的负栅压比较高[6]。

如图 5 所示，每个 IGBT 的桥臂采用两个 M57962L，图中 U1 驱动上桥臂的 IGBT， U2 驱动下桥臂的IGBT，DEC1 和 DEC2 是图 4中 IGBT 故障信号检测，当检测到故障后，M57962L 一方面会关断 IGBT，另一方面在 M57962L 的 8 脚输出故障信号经光耦PC10、PC20 隔离后反馈给 CPU；另外，在 M57962L的 PWM 输入端采用了一个硬件互锁电路，当其中一个半桥输入信号为高电平时，同时将另一个半桥的输入信号拉低，防止因为输入信号异常发生两个驱动光偶均导通的现象。

保证了电路能安全可靠工作。

3. 车用电机控制器 IGBT 的保护

3.1 车用电机控制器 IGBT 的过压与浪涌保护

电动汽车的电机控制器在使用过程中，由于加速制动频繁，电动汽车在进行回馈制动时，电动机转变成发电状态，馈送到直流母线上的能量比较大。

此时电动汽车直流母线上的电压除了由动力电池提供的部分之外，还叠加有回馈制动时产生的回馈电压，经过实际测试，在直流母线电压为 538V 的系统中，进行能量回馈时，其最大峰值电压超过800V，同时，IGBT 关断过程中以及与之并接的续流二极管反向恢复时集电极 di/dt 在主电路的分布电感上也会产生高幅值的过电压。

稳态的过压通过相应的硬件电路进行检测，由主控 CPU 进行有相应的保护，瞬态的脉动直流过压，则通过 DC-Link 电容进行电压吸收和内部 RC 或RCD 吸收网络对 IGBT 主电路进行缓冲保护。

DC-Link 的 ESL 低，承受浪涌电压高,最高电压可达 1200V，可承受纹波电流也较大，IGBT 工作在PWM 状态下，需要系统能够提供相当大的脉动电流，DC-Link 能提供有效值 40A 以上的脉动电流,

且不受开关时产生的过电压影响，确保直流母线上的电压波动保持在允许范围。

3.2 车用电机控制器 IGBT 的应用

在电动汽车的实际应用环境中,由于电机的功率较大,IGBT的瞬态冲击电流有可能达到 700A以上,我们采用富士公司的两只2MBI450VN-120-50IGBT 进行并联输出(该 IGBT的特性参数如表一所示),使并联后的 IGBT输出电流达 900A左右,能够满足车辆使用电流要求, 2MBI450VN 的电气特性参数如表 1 所示,