新能源汽车电机控制器IGBT模块的驱动技术
吴成加赵圣宝电动汽车技术网
(安徽安凯汽车股份有限公司，安徽合肥 230051)
摘 要：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。
关键词：电动汽车；电机驱动器；IGBT；保护电路；驱动技术；
Drive Technology for Electric Automobile Inverter IGBT Module
Wu Cheng-jia Zhao Sheng-bao
(Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei,230051 China)
Abstract：This article describes the large-scale electric vehicle, the motor controller drive circuit IGBT
module design ideas expounded characteristic IGBT module design and protective gate drive circuit and IGBT module during normal operation of current, voltage, and temperature protection and provides the appropriate design principles and verification program.
Key words：Electric vehicles; motor drive; IGBT; protection circuit; drive technology;
0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。
1IGBT模块的特性
1．1
开关特性
图1 IGBT的开关特性
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，V CE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，C GC、C GE、C CE分别为IGBT的极间寄生电容，C ies称为输入电容，C oes称为输出电容，C res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C oes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C oes进行充电，此时，IGBT集电极电压变化率取决于负载电流对C oes充电的速度，由于C oes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dV ce/d t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i CG，该电流经过寄生电容C GC、C GE，进行充电，此时，如果V GE 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dV CE/dt而改变，dV CE/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V GE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R G，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V GE电压有关，在I CE电流一定的情况下，V GE 越高，V CE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，V GE 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。
图4 双管并联IGBT输出电路
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-120-50
IGBT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,
为了避免杂散分布电容对IGBT栅极驱动电路产生干扰，我们将驱动电路板直接焊接在两个IGBT的模块的输入引脚上，并在栅极输入端并联去振荡电容、双向限幅电路，在IGBT承受短路电流时，如果能及时关断它，则可以对IGBT进行有效保护。识别IGBT是否过流的方法之一，就是检测其管压降VCE的大小。
图7 IGBT开通关断电压、电流波形图 IGBT在开通时，若VCE 过高则发生短路， 需立即关断IGBT。在过流关断IGBT时，由于IGBT 中电流幅度大，若快速关断时，必将产生Ldi/dt 过高，在IGBT两端产生很高的尖峰电压，极易损坏IGBT，因此就产生了“软慢关断”方法。M57962L驱动电路就是依照上述理论进行设计 的。当过载或短路时， IGBT 的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。图7为IGBT工作时，IGBT开通、关断时的电压、电流波形图，从图中可以看出，随着栅极电压升高，其C极电流上升，同时V CE电压下降，当IGBT关断时，栅压为负压，C极电流下降，V CE电压上升到电源电压。
4 结 论
本文从实际应用出发，阐述了电动汽车电机控制器IGBT模块驱动电路的设计思路，总结了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、温度保护中存在的问题和保护方法，并提供了相应的设计原理和验证方案。经过实际验证证明，该电路可靠、实用、安全、可普遍适用于各种大型电动汽车电机控制器设计中，具有很大的应用前景。
[参 考 文 献]
[1] 王颖丽 杜明星等 提取IGBT模块内部键合引线的寄生参数
[J] 化工自动化及仪表 2014 ，41 （4） 419-422
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[N/OL]www.docin/p-374404232.html
[3] 富士电机株式会社 富士IGBT模块应用手册[M]. 2011 09
[4] 胡满红 ，王亚琼 寄生电容对IGBT开关过程集电极电压变化率的影响 [N] 新乡师范高等专科学校学报 2007.9 45-47
[5] 张军 卞清 基于IGBT的逆变器驱动电路设计 [J] 自动化技术与应用 2011.30.3 103 -105
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[7] 王晓晨 阳江明 电动汽车用电机控制器IGBT的驱动与保护技术 [N/OL] www.docin/p-539436665.html
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