具有有源電壓鉗位功能的電動(dòng)汽車(chē)IGBT驅動(dòng)電路設計與研究

　　摘要：由于電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力機車(chē)的電池工作電壓范圍較大，在剎車(chē)能量回收、發(fā)電機發(fā)電、短路保護等工況下，防止IGBT產(chǎn)生過(guò)壓失效成為一個(gè)必須深入研究的課題。有源電壓鉗位功能作為防止IGBT過(guò)壓失效的有效手段開(kāi)始有所應用，本文對幾種有源電壓鉗位的具體方式和效果進(jìn)行了分析，并提出在有源電壓鉗位在電動(dòng)汽車(chē)IGBT驅動(dòng)應用中的優(yōu)化建議。

　　引言

　　隨著(zhù)混合動(dòng)力汽車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，其驅動(dòng)系統正在向高電壓、大功率方向發(fā)展，更大電流、更高電壓的IGBT模塊開(kāi)始得到應用。在電機控制器系統設計中，驅動(dòng)電路設計對系統的穩定性和可靠性發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　抑制關(guān)斷電壓尖峰的必要性

　　為了讓電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)具有更大的最高時(shí)速和加速度，需要采用更大功率的電機和更大功率的IGBT模塊。在同樣功率情況下，母線(xiàn)電壓越高，系統的額定電流越小，系統的損耗也越低，同時(shí)還可以減小導線(xiàn)截面積，從而減輕車(chē)重。因此，在系統承受的范圍內采用較高的母線(xiàn)電壓成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的方向。

　　此外，在剎車(chē)能量回收、發(fā)電機發(fā)電工作等工況下，系統往往工作于超過(guò)額定母線(xiàn)電壓的工況下。尤其是為了盡量回收下坡時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的重力勢能，系統往往工作在允許的最高電壓狀態(tài)。然而IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的V_ce電壓尖峰疊加在上述較高的母線(xiàn)電壓上(見(jiàn)圖1)，有超過(guò)IGBT耐壓值導致IGBT過(guò)壓失效的風(fēng)險。這也是IGBT失效的最典型的原因之一?！　?/p>

 

　　因此，為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)較高母線(xiàn)電壓下工作的需要，在IGBT關(guān)斷使Vce接近耐壓值時(shí)對電壓尖峰的抑制是非常必要的。

　　有源電壓箝位方案的優(yōu)勢

　　IGBT關(guān)斷電壓尖峰是由系統寄生電感和關(guān)斷電流變化率決定的，計算公式如下：
　　V_s=L_s * di/dt
　　L_s表示系統寄生電感，di/dt表示關(guān)斷時(shí)流過(guò)IGBT的電流變化率，在系統設計方面通常采用疊層母排技術(shù)盡量減小寄生電感，增加并聯(lián)在母線(xiàn)上的吸收電容等方式減小關(guān)斷尖峰。在驅動(dòng)電路方面抑制電壓尖峰的方式也有如下幾種：

　　a)增加關(guān)斷電阻阻值。

　　增加關(guān)斷電阻阻值會(huì )減小關(guān)斷IGBT的電流變化率，從而達到降低關(guān)斷電壓尖峰的作用。但是這種方法的缺點(diǎn)是，同時(shí)增加了IGBT的關(guān)斷損耗，也就降低了IGBT的承受電流能力。在電動(dòng)汽車(chē)應用中，為了充分發(fā)揮系統的能力，這種方法是不可取的。