如何保護汽車逆變器設計中的功率晶體管

尹春賀

摘 要：隨著油電混合車和電動車技術的演進，逆變器驅動技術已經深入汽車領域，從空調機和加熱系統等低功率應用，到驅動車輛行駛和再生制動系統等高功率應用，所有這些系統的共同點是需要通過保護逆變器中的功率開關晶體管以最大限度地提高工作壽命。

關鍵詞：汽車逆變器；功率晶體管

1 前言

汽車系統中的逆變器為電動機控制電源的關鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉換成為交流高電壓，其中使用功率開關來調節能量的遞送，請參考圖1。通過微控制器送出開關信號，并利用隔離門驅動器作為低電壓微控制器和高電壓功率開關間的接口。許多新形態的功率開關，如碳化硅，都被評估可以使用于汽車逆變器中，但目前最具競爭力的還是IGBT。長久以來，這些功率晶體管已經被廣泛應用于高電壓和高功率的處理上，但在發展過程中卻存在缺點，為了把IGBT的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產品尋求降低開關損耗和傳導損耗，不過，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。

2 “防錯”保護、避免損壞

降低IGBT下傳導損耗通常會引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時間，許多逆變器的內部或外部錯誤情況會造成逆變器中一個或多個IGBT下短路或類似短路的過載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過沖，以及IGBT低驅動電壓。由于IGBT下會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下短路檢測和保護就變得非常重要。

但并非所有這些情況都可以使用相位電流傳感器進行檢測，一個比較好的替代做法是分別獨立檢測每個IGBT的負載電流大小。檢測負載電流大小有幾個方法，如使用分流電阻或射極分離的IGBT，可以產生正比于IGBT負載電流的電壓信號，當信號超過設定的閥值大小時就會觸發保護機制。不過IGBT下的最大可容忍電流會依采用的工藝、工作溫度以及門電壓而定，因此在設定負載電流觸發閥值時必須留有安全余量，以便限制IGBT的工作范圍。

也可以通過監視集電極到發射極的電壓（（VCE）來檢測IGBT脫離飽和狀態的時間，在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低，當發生輸出短路或低門極驅動情況時，IGBT會進入線性模式并且VCE上升，造成功率損耗過大引發器件失效，檢測這個去飽和（DESAT）情況可以達到和監視輸出電流相同的檢測結果，也可以監視IGBT真實工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優點，帶來IGBT更高功率的使用。

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，極可能有較大的電流經過，如果IGBT關斷過于快速，那么快速的電流變化（（di/dt）以及無可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過IGBT的最高電壓容忍大小，帶來IGBT的損壞并破壞過電流保護機制。這個問題可以通過實現IGBT下的軟關斷來減輕，利用延長錯誤發生時的門極放電時間降低電壓的變化速度。

錯誤分辨能力也有著系統的考量，自動錯誤檢測裝置可以同時關斷所有其他門驅動來實現，另一方面，錯誤檢測也可設計為每個IGBT獨立進行錯誤檢測和關斷，通常較為適合汽車牽引應用的和緩錯誤處理和關斷策略。自動錯誤檢測也可以包含提供信號給負責管理汽車動力系統的微控制器，帶來額外的響應選擇。

3 可靠性是基本要求

在汽車系統中實現這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個關鍵點，包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車應用對于質量和可靠性的期望通常要比其他許多消費類和工業應用高上許多，因此強固性非常重要，進一步說，在更加惡劣的環境，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，Avago的ACPL-38JT門驅動光電藕合器通過集成去飽合檢測和欠壓鎖定（UVLO，UnderVoltageLockout）電路，以及隔離的錯誤信號和軟關斷等多個功能到IGBT門驅動器中滿足了所有這些需求。Avago的光隔離功能包括環繞光接收器的透明法拉第屏蔽協助降低電磁噪聲藕合，并使用特別設計的LED確保高溫條件下的更長工作壽命，內置的保護電路可以節省數個分立器件而降低成本，并通過解決所有錯誤情況，包括可能破壞功率開關晶體管的低門驅動電壓提高系統的可靠性。

在門驅動和IGBT保護電路上使用集成器件，減少了分立器件的隱患節點，有助于提高系統的可靠性，另外，使用集成器件，借助于其完善的測試結果可縮短設計、測試、審核周期。舉例來說，ACPL-38JT就依循TS16949和AEC-Q100汽車準則進行生產和測試，工作溫度范圍達到一40℃到125℃。

4 選擇車載逆變器事項

4.1 直流輸入電源的選擇

必須使用額定輸入電壓范圍內的電瓶或直流穩壓電源（推薦為：11一14V），應能提供足夠的工作電流（應大于逆變器的額定輸入電流值），如300W，12V的逆變器的輸入電流應大于25A。如果用直流電源則其穩定性能應優于1%。

4.2 直流接線方法

當用汽車點煙器作為直流輸入電源時，切勿將正、負極接反（點煙器的尖端觸點為正極，外側彈簧為負極），為保證接觸良好，應將點煙器與點煙器插座插緊。點煙器插頭連線要能承受工作電流，并留有余量，長度應方便使用。

電器功率大于150W，一定要用蓄電池夾子直接從蓄電池取電，汽車點煙器插座只能通過10A左右電流，所以大功率的逆變器都必須另配一條蓄電池夾子線從蓄電池直接取電。

注意輸出插座形式：要使用國標的插座

4.3 保護功能

在選用車載逆變器時，應考慮其是否具有完善的保護功能。

①欠壓保護功能

當輸入直流電源電壓低于額定的輸入電壓范圍時，蜂鳴器發出報警聲，表示蓄電池需要充電。當直流輸入電壓低于10.5V時，會自動關斷輸出，蜂鳴器同時報警。

②過壓保護功能

當直流輸入電源電壓超過15.6V時，逆變器將關斷輸出。

③短路保護功能

當負載發生短路時，輸出自動切斷，蜂鳴器發出報警聲，表示正常輸出的指示燈熄滅。

④輸入反接保護功能

當直流輸入電源電壓接反時，將會燒斷輸入保險絲，此時必須斷開直流 電源，更換同型號保險，再正確接入電源，即可使用。

⑤溫度保護

當內部溫度傳感器檢測溫度超過75℃時，輸出會切斷，蜂鳴器發出報警聲。等逆變器冷卻至合適溫度后，方可再次啟動。

4.4 逆變器的功率選擇

大多數電子工具、裝置和音像產品均有標注使用電源的功率、電流等參數。車載逆變器的輸出功率應大于產品標注的輸入功率。有些負載（電視、冰箱等）的啟動功率大于標稱功率的數倍，在這種情況下，可以（on-off）逆變器以重復起動，如果重復多次都不能起動，就應更換大功率的逆變器。所以，選擇車載逆變器的功率時，應考慮負載的啟動特性。

4.5 轉換效率的選擇

對于逆變器來說，轉換效率是非常重要的一個指標。逆變效率越高，蓄電池的壽命就越長久，并且逆變器發熱越小。一般要求轉換效率應達到90%以上。用戶可以通過帶大功率的負載，從逆變器的發熱量來簡單地判別轉換效率的高低。逆變器應金屬外殼，便于散熱，應當在帶標稱功率80%的負載時能夠長時間工作而不發燙。

5 結束語

隨著高功率電氣系統在汽車設計中的角色愈加重要，“防錯”設計成為確保長時間工作壽命的必備條件，在逆變器設計中的功率開關使用同時提供有檢測和響應機制的集成方案，可以通過緊湊、低成本并且高可靠性的方式滿足這個需求。

參考文獻

[1]具備非線性負載控制的準Z源逆變器控制策略[J].郭亮，王維慶，孫向東，劉詠妮.電力電子技術.2017（01）

[2]光伏逆變器的低電壓穿越特性分析與參數測試方法[J].葛路明，曲立楠，陳寧，朱凌志，張磊.電力系統自動化.2018（18）

[9]微網逆變器的分層控制策略分析[J].魏桂林，胥飛.機電信息.2018（24）