Design and research of IGBT drive circuit with active voltage clamping for Electric Vehicles
荣睿英飞凌集成电路（北京）有限公司
何耀华英飞凌科技（中国）有限公司
北京经济技术开发区荣华中路10号亦城国际A座20层100176
<@infineon
关键词：有源电压钳位，电动汽车，门极驱动电路，IGBT短路保护，电压尖峰抑制
摘要：
由于电动汽车及混合动力机车的电池工作电压范围较大，在刹车能量回收、发电机发电、短路保护等工况下，防止IGBT产生过压失效成为一个必须深入研究的课题。有源电压钳位功能作为防止IGBT过压失效的有效手段开始有所应用，本文对几种有源电压钳位的具体方式和效果进行分析，基于英飞凌汽车级IGBT Hybridpack2及汽车级驱动芯片
1ED020I12FA设计具体驱动电路，给出相关的测试结论和实验数据，提出在有源电压钳位在电动汽车IGBT驱动应用中的优化建议。
1引言
随着混合动力汽车及电动汽车的日益普及，其驱动系统正在向高电压、大功率方向发展，更大电流更高电压的IGBT模块开始得到应用。在电机控制器系统设计中，驱动电路设计对系统的稳定性可靠性发挥着至关重要的作用。
1.1抑制关断电压尖峰的必要性
为了让电动汽车和混合动力汽车具有更大的最高时速和加速度，需要采用更大功率的电机和更大功率的IGBT模块。在同样功率情况下，母线电压越高，系统的额定电流越小，系统的损耗也越低，同时还可以减小导线截面积，从而减轻车重。因此，在系统承受的范围内采用较高的母线电压成为电动汽车开发的方向。长城赛影怎么样
大连发生惨烈车祸图1：IGBT关断时产生的电压尖峰
此外，在刹车能量回收、发电机发电工作等工况下，系统往往工作于超过额定母线电压的工况下。尤其是为了尽量回收下坡时电动汽车的重力势能，系统往往工作在允许的最高电压状态。然而IGBT关断时产生的Vce电压尖峰叠加在上述较高的母线电压上（见图1），有超过IGBT耐压值导致IGBT过压失效的风险。这也是IGBT失效的最典型的原因之一。
因此，为满足电动汽车及混合动力汽车较高母线电压下工作的需要，在IGBT关断使Vce接近耐压值时对电压尖峰的抑制是非常必要的。
1.2有源电压箝位方案的优势
IGBT关断电压尖峰是由系统寄生电感和关断电流变化率决定的，计算公式如下：
Vs=Ls*di/dt
Ls表示系统寄生电感，di/dt表示关断时流过IGBT的电流变化率，在系统设计方面通常采用叠层母排技术尽量减小寄生电感，增加并联在母线上的吸收电容等方式减小关断尖峰。在驱动电路方面抑制电压尖峰的方式也有如下几种：
a)增加关断电阻阻值。
增加关断电阻阻值会减小关断IGBT的电流变化率，从而达到降低关断电压尖峰
的作用。但是这种方法的缺点是，同时增加了IGBT的关断损耗，也就降低了IGBT
的承受电流能力。在电动汽车应用中，为了充分发挥系统的能力，这种方法是
不可取的。
b)两级关断技术TLTO（two level turn off）。
TLTO是在IGBT关断时驱动电压不直接转为负电压，而是在大约7V左右维持一
段时间再转为负电压，具体原理见图2。英飞凌汽车级驱动芯片1ED020I12FTA即
采用了该项技术。
奔驰gl级amg图2：1ED020I12FTA退饱和关断时序图
c)有源电压箝位（Active Voltage Clamping）
有源电压箝位的原理是：当集电极电位过高时，TVS被击穿，有电流流进门极，门极电位得以抬升，从而使关断电流不要过于陡峭，进而减小尖峰。基本的有
奔驰漏油保密协议源电压箝位电路和波形如图3和图4。与前两种方法相比，有源电压箝位配置
简单，工作点可以通过TVS管调节，经过优化还可以方便的改变关断时的箝位波形。尤其在系统发生短路保护关断IGBT时，该方法尤其有效，后面会详细说明。由于具有负反馈闭环工作特性，优于调整门极电阻和TLTO的开环控制。
图3：有源电压箝位基本电路图4：有源电压箝位波形示意
2有源电压箝位方案
前文介绍的基本有源电压箝位电路，工作时有个较大的缺点：关断IGBT时推挽输出的下管是导通状态。在TVS因电压尖峰过高而击穿时，一部分能量回到IGBT门极用于减小di/dt，而另一部分能量通过门极电阻Rg和推挽输出的下管回到电源负极。这部分能量没有起到减小di/dt作用，又增加了TVS管的损耗（如图5）。对于电动汽车采用的650V耐压的IGBT模块如Hybridpack2，这时TVS工作在数百伏电压下，因此损耗很大。
图5：基本有源电压箝位电流方向
为了克服上述缺点，一种改进型的有源电压箝位电路被提出。该电路在推挽输出前级和门极各放置一个回路，通过调节两个回路的电阻阻值来控制击穿TVS后的电流走向，走向推挽输出前级的回路可以放大门极电流增强减小di/dt效果。同时为了防止所
有能量涌入前级造成震荡甚至IGBT误开通，另一直接通向门极的回路泄放另一部分电流。如图6。
图6：优化的有源电压箝位电路
3基于1ED020I12FA的门极驱动电路
采用英飞凌汽车级IGBT模块HybridPACK2，汽车级驱动芯片1ED020I12FA设计基本有源电压箝位电
maybach landaulet路，如图7。
其中VP和VN是驱动IGBT工作的正负电源，分别为+16V和-8V。COL接IGBT集电极，G接IGBT门极，GND接IGBT发射极。D3即TVS管采用P6SMB510A，可耐受峰值功率600W，额定功率5W。D4采用反向回复时间只有15ns，反向电压为200V的ES1D。为了凸显有源电压箝位电路的抑制电压尖峰能力，关断电阻选用了数据手册中的标称值0.8欧姆，实际电路考虑其他综合因素该值会更大一些，如2.2欧姆左右。
图7：基于1ED020I12FA的有源电压箝位驱动电路
4测试数据
使用前文所述的1ED020I12FA驱动电路和HybridPACK2模块进行短路测试，IGBT寄生电感14nH，母线排及电容内部寄生电感15nH。检验有源电压箝位的保护效果，如图8a和8b。紫C3为门极电压波形Vge，绿线C4为集电极电流波形Ic，蓝线C2为电压波形Vce。
图8a是不使用有源电压箝位功能时的短路测试。由测试结果可见，母线在275V左右发生短路，关断电压尖峰为626V，已经接近HybridPACK2的650V耐压限值（blocking voltage）。
图8b是加上基本有源电压箝位电路后进行的短路测试。由测试结果可见，即使母线达到400V，短路电流比在275V下大45%，关断电压尖峰值仅为604V。可见到Vce 被抑制成一个平台，同时门极电压Vge在5V形成一个电压平台，有效抑制了di/dt。
图8：HybridPACK2有源电压箝位实测结果
奥迪最新款车
发布评论