具有有源電壓鉗位功能的電動(dòng)汽車IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與研究

摘要：由于電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力機(jī)車的電池工作電壓范圍較大，在剎車能量回收、發(fā)電機(jī)發(fā)電、短路保護(hù)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(yīng)用，本文對(duì)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IGBT驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：有源電壓鉗位；電動(dòng)汽車；門極驅(qū)動(dòng)電路；IGBT短路保護(hù)；電壓尖峰抑制

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.015

要采用更大功率的電機(jī)和更大功率的IGBT模塊。在同樣功率情況下，母線電壓越高，系統(tǒng)的額定電流越小，系統(tǒng)的損耗也越低，同時(shí)還可以減小導(dǎo)線截面積，從而減輕車重。因此，在系統(tǒng)承受的范圍內(nèi)采用較高的母線電壓成為電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的方向。

此外，在剎車能量回收、發(fā)電機(jī)發(fā)電工作等工況下，系統(tǒng)往往工作于超過(guò)額定母線電壓的工況下。尤其是為了盡量回收下坡時(shí)電動(dòng)汽車的重力勢(shì)能，系統(tǒng)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Vce電壓尖峰疊加在上述較高的母線電壓上（見(jiàn)圖1)，有超過(guò)IGBT耐壓值導(dǎo)致IGBT過(guò)壓失效的風(fēng)險(xiǎn)。這也是IGBT失效的最典型的原因之一。

因此，為滿足電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車較高母線電壓下工作的需要，在IGBT關(guān)斷使Vce接近耐壓值時(shí)對(duì)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(shì)

IGBT關(guān)斷電壓尖峰是由系統(tǒng)寄生電感和關(guān)斷電流變化率決定的，計(jì)算公式如下：

Vs=Ls * di/dt

Ls表示系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)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)在母線上的吸收電容等方式減小關(guān)斷尖峰。在驅(qū)動(dòng)電路方面抑制電壓尖峰的方式也

復(fù)時(shí)間只有15ns，反向電壓為200V的ES1D。為了凸顯有源電壓箝位電路的抑制電壓尖峰能力，關(guān)斷電阻選用了數(shù)據(jù)手冊(cè)中的標(biāo)稱值0.8歐姆，實(shí)際電路考慮其他綜合因素該值會(huì)更大一些，如2.2歐姆左右。源電壓箝位的保護(hù)效果，如圖8a和8b。紫色C3為門極電壓波形Vge，綠色線C4為集電極電流波形Ic，藍(lán)色線C2為電壓波形Vce。

圖8a是不使用有源電壓箝位功能時(shí)的短路測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，母線在275V左右發(fā)生短路，關(guān)斷電壓尖峰為626V，已經(jīng)接近HybridPACK2的650V耐壓限值（blocking voltage)。

圖8b是加上基本有源電壓箝位電路后進(jìn)行的短路測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，即使母線達(dá)到400V，短路電流比在275V下大45%，關(guān)斷電壓尖峰值僅為604V。可見(jiàn)到Vce被抑制成一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)門極電壓Vge在5V形成一個(gè)電壓平臺(tái)，有效抑制了di/dt。

2)該設(shè)計(jì)僅使用基本有源電壓箝位電路，無(wú)法適應(yīng)更多變更復(fù)雜更高工作電壓的環(huán)境，下一步會(huì)設(shè)計(jì)功能更加完善的有源電壓箝位電路，不僅限于前文介紹的優(yōu)化方法。還會(huì)考慮采用在泄放回路上串聯(lián)電容的方法來(lái)控制能量的分配，以及應(yīng)用更大功率IGBT時(shí)并聯(lián)推挽輸出級(jí)的泄放回路分配。

有源電壓箝位作為一種負(fù)反饋閉環(huán)電路，在電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的IGBT驅(qū)動(dòng)電路中是非常必要的，拓展了可工作的母線電壓、剎車能量回收、弱磁調(diào)速等高電壓工況和短路保護(hù)等極限工況的可靠性提供了保障。多種優(yōu)化的有源電壓箝位電路進(jìn)一步為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、平衡性提供了有效的支持。