基于汽車(chē)逆變器功率開(kāi)關(guān)晶體管保護技術(shù)的設計與應用

隨著(zhù)油電混合車(chē)和電動(dòng)車(chē)技術(shù)的演進(jìn)，逆變器驅動(dòng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，從空調機和加熱系統等低功率應用，一直到驅動(dòng)和再生制動(dòng)系統等高功率應用，所有這些系統的共通點(diǎn)是需要通過(guò)保護逆變器設計中的功率開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)最大限度地提高工作壽命。

汽車(chē)系統中的逆變器為電動(dòng)機控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉換成為交流高電壓，其中使用功率開(kāi)關(guān)來(lái)調節能量的遞送，請參考圖1。通過(guò)微控制器送出開(kāi)關(guān)信號，并利用隔離門(mén)驅動(dòng)器作為低電壓微控制器和高電壓功率開(kāi)關(guān)間的接口。

許多新形態(tài)的功率開(kāi)關(guān)，如碳化硅，都被評估是否可以使用于汽車(chē)逆變器中，但目前最具競爭力的還是IGBT。長(cháng)久以來(lái)，這些功率晶體管已經(jīng)被廣泛應用于高電壓和高功率的處理上，但在發(fā)展過(guò)程中卻存在缺點(diǎn)，為了把IGBT中的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產(chǎn)品尋求降低開(kāi)關(guān)和傳導損耗，不過(guò)，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。

圖1 汽車(chē)系統中的逆變器使用功率開(kāi)關(guān)IGBT器件控制電動(dòng)機電源，但這些器件必須加以保護以確保長(cháng)時(shí)間的工作壽命。錯誤保護避免損壞

降低IGBT傳導損耗通常會(huì )引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時(shí)間，許多逆變器的內部或外部錯誤情況會(huì )造成逆變器中一或多個(gè)IGBT短路或類(lèi)似短路的過(guò)載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過(guò)沖，以及IGBT低驅動(dòng)電壓。由于IGBT會(huì )因這些錯誤而受到損壞，因此對于逆變器設計，快速并且可靠的IGBT短路檢測和保護就變得非常重要。

但并非所有這些錯誤都可以使用相位電流傳感器進(jìn)行檢測，一個(gè)比較好的替代做法是分別獨立檢測每個(gè)IGBT的負載電流大小。檢測負載電流大小有幾個(gè)方法，如使用分流電阻或射極分離的IGBT，可以產(chǎn)生正比于IGBT負載電流的電壓信號，當信號超過(guò)設定的閥值大小時(shí)就會(huì )觸發(fā)保護機制。不過(guò)IGBT的最大可容忍電流會(huì )依采用的工藝、工作溫度以及門(mén)電壓而定，因此在設定負載電流觸發(fā)閥值時(shí)必須非常保守，以便限制IGBT的工作范圍。

第三種做法是通過(guò)監視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來(lái)檢測IGBT脫離飽和狀態(tài)的時(shí)間，在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低，當發(fā)生輸出短路或低門(mén)極驅動(dòng)情況時(shí)，IGBT會(huì )進(jìn)入線(xiàn)性模式并且VCE上升，造成功率損耗過(guò)大引發(fā)器件失效，檢測這個(gè)去飽和(DESAT)情況可以達到和監視輸出電流相同的錯誤檢測結果，但卻有監視IGBT真實(shí)工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)IGBT更高功率的使用。

圖2 集成了錯誤檢測和軟關(guān)斷，Avago的ACPL-38JT IGBT門(mén)驅動(dòng)光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開(kāi)關(guān)的錯誤情況

和檢測錯誤同等重要的是，逆變器本身設計的錯誤分辨能力，當檢測到錯誤情況時(shí)，極可能有較大的電流經(jīng)過(guò)，如果IGBT關(guān)斷過(guò)于快速，那么快速的電流變化(di/dt)以及無(wú)可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過(guò)IGBT的最高電壓容忍大小，帶來(lái)IGBT的損壞并破壞過(guò)電流保護機制。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)實(shí)現IGBT的軟關(guān)斷來(lái)減輕，利用延長(cháng)錯誤發(fā)生時(shí)的門(mén)極放電時(shí)間降低電壓的變化速度。

錯誤分辨能力也有著(zhù)系統的考量，自動(dòng)錯誤檢測可以配置為同時(shí)關(guān)斷所有其他門(mén)驅動(dòng)來(lái)實(shí)現，另一方面，錯誤檢測也可設計為每個(gè)IGBT獨立進(jìn)行錯誤檢測和關(guān)斷，允許通常較為適合汽車(chē)牽引應用的和緩錯誤處理和關(guān)斷策略。自動(dòng)錯誤檢測也可以包含提供信號給負責管理汽車(chē)動(dòng)力系統的微控制器，帶來(lái)額外的響應選擇。可靠性是基本要求

在汽車(chē)系統中實(shí)現這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車(chē)應用對于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費類(lèi)和工業(yè)應用高上許多，因此強固性非常重要，進(jìn)一步說(shuō)，在更加惡劣的環(huán)境，包括極廣的工作溫度條件以及高幅射和感應電磁噪聲下則必須具備更高的可靠性。

高度集成方案，如圖2中Avago的ACPL-38JT門(mén)驅動(dòng)光電耦合器通過(guò)集成去飽合檢測和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路，以及隔離的錯誤信號和軟關(guān)斷等多個(gè)功能到IGBT門(mén)驅動(dòng)器中滿(mǎn)足了所有這些需求。Avago的光隔離功能包括環(huán)繞光接收器的透明法拉第屏蔽協(xié)助降低電磁噪聲耦合，并使用特別設計的LED確保高溫條件下的更長(cháng)工作壽命，內置的保護電路可以節省數個(gè)分立