具有源電壓鉗位功能的電動汽車IGBT驅動電路設計與研究

由于電動汽車及混合動力機車的電池工作電壓范圍較大，在剎車能量回收、發電機發電、短路保護等工況下，防止IGBT 產生過壓失效成為一個必須深入研究的課題。有源電壓鉗位功能作為防止IGBT 過壓失效的有效手段開始有所應用，本文對幾種有源電壓鉗位的具體方式和效果進行分析，基于英飛凌汽車級IGBT Hybridpack 2 及汽車級驅動芯片1ED020I12FA 設計具體驅動電路，給出相關的測試結論和實驗數據，提出在有源電壓鉗位在電動汽車IGBT 驅動應用中的優化建議。

引言

隨著混合動力汽車及電動汽車的日益普及，其驅動系統正在向高電壓、大功率方向發展，更大電流更高電壓的IGBT 模塊開始得到應用。在電機控制器系統設計中，驅動電路設計對系統的穩定性可靠性發揮著至關重要的作用。

（1）抑制關斷電壓尖峰的必要性

為了讓電動汽車和混合動力汽車具有更大的最高時速和加速度，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， 母線電壓越高，系統的額定電流越小，系統的損耗也越低，同時還可以減小導線截面積，從而減輕車重。因此，在系統承受的范圍內采用較高的母線電壓成為電動汽車開發的方向。

圖1：IGBT 關斷時產生的電壓尖峰

此外，在剎車能量回收、發電機發電工作等工況下，系統往往工作于超過額定母線電壓的工況下。尤其是為了盡量回收下坡時電動汽車的重力勢能，系統往往工作在允許的最高電壓狀態。然而IGBT 關斷時產生的Vce 電壓尖峰疊加在上述較高的母線電壓上（見圖1），有超過IGBT 耐壓值導致IGBT 過壓失效的風險。這也是IGBT 失效的最典型的原因之一。

因此，為滿足電動汽車及混合動力汽車較高母線電壓下工作的需要，在 IGBT 關斷使Vce 接近耐壓值時對電壓尖峰的抑制是非常必要的。

（2）有源電壓箝位方案的優勢

IGBT 關斷電壓尖峰是由系統寄生電感和關斷電流變化率決定的，計算公式如下：

Vs=Ls * di/dt

Ls 表示系統寄生電感，di/dt 表示關斷時流過IGBT 的電流變化率，在系統設計方面通常采用疊層母排技術盡量減小寄生電感，增加并聯在母線上的吸收電容等方式減小關斷尖峰。在驅動電路方面抑制電壓尖峰的方式也有如下幾種：

a）增加關斷電阻阻值。

增加關斷電阻阻值會減小關斷 IGBT 的電流變化率，從而達到降低關斷電壓尖峰的作用。但是這種方法的缺點是，同時增加了 IGBT 的關斷損耗，也就降低了 IGBT 的承受電流能力。在電動汽車應用中，為了充分發揮系統的能力，這種方法是不可取的。

b）兩級關斷技術TLTO（two level turn off）

TLTO 是在IGBT 關斷時驅動電壓不直接轉為負電壓，而是在大約 7V 左右維持一段時間再轉為負電壓，具體原理見圖2。英飛凌汽車級驅動芯片1ED020I12FTA 即采用了該項技術。

圖2：1ED020I12FTA 退飽和關斷時序圖

c）有源電壓箝位（Active Voltage Clamping）

有源電壓箝位的原理是：當集電極電位過高時，TVS 被擊穿，有電流流進門極，門極電位得以抬升，從而使關斷電流不要過于陡峭，進而減小尖峰。基本的有源電壓箝位電路和波形如圖3 和圖4。與前兩種方法相比，有源電壓箝位配置簡單，工作點可以通過TVS 管調節，經過優化還可以方便的改變關斷時的箝位波形。尤其在系統發生短路保護關斷 IGBT 時，該方法尤其有效，后面會詳細說明。由于具有負反饋閉環工作特性，優于調整門極電阻和 TLTO 的開環控制。

圖3：有源電壓箝位基本電路

圖4：有源電壓箝位波形示意

有源電壓箝位方案

前文介紹的基本有源電壓箝位電路，工作時有個較大的缺點：關斷IGBT 時推挽輸出 的下管是導通狀態。在TVS 因電壓尖峰過高而擊穿時，一部分能量回到 IGBT 門極用于減小di/dt，而另一部分能量通過門極電阻 Rg 和推挽輸出的下管回到電源負極。這部分能量沒有起到減小di/dt 作用，又增加了TVS 管的損耗（如圖5）。對于電動汽車采用的650V 耐壓的IGBT 模塊如Hybridpack 2，這時TVS 工作在數百伏電壓下，因此損耗很大。

圖5：基本有源電壓箝位電流方向

為了克服上述缺點，一種改進型的有源電壓箝位電路被提出。該電路在推挽輸出前 級和門極各放置一個回路，通過調節兩個回路的電阻阻值來控制擊穿 TVS 后的電流。向走向推挽輸出前級的回路可以放大門極電流增強減小 di/dt 效果。同時為了防止所有能量涌入前級造成震蕩甚至IGBT 誤開通，另一直接通向門極的回路泄放另一部分電流。如圖6。

圖6： 優化的有源電壓箝位電路

基于1ED020I12FA 的門極驅動電路

采用英飛凌汽車級IGBT 模塊HybridPACK2，汽車級驅動芯片1ED020I12FA 設計基本有源電壓箝位電路，如圖7。

其中VP 和VN 是驅動IGBT 工作的正負電源，分別為+16V 和-8V。COL 接IGBT 集電

極，G 接IGBT 門極，GND 接IGBT 發射極。D3 即TVS 管采用P6SMB510A，可耐受峰值功率600W，額定功率5W。D4 采用反向回復時間只有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，關斷電阻選用了數據手冊中的標稱值

歐姆，實際電路考慮其他綜合因素該值會更大一些，如2.2 歐姆左右。

圖7：基于1ED020I12FA 的有源電壓箝位驅動電路

測試數據

使用前文所述的1ED020I12FA 驅動電路和HybridPACK2 模塊進行短路測試，IGBT 寄生電感14nH，母線排及電容內部寄生電感15nH。檢驗有源電壓箝位的保護效果，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，藍色線C2 為電壓波形Vce。

圖8a 是不使用有源電壓箝位功能時的短路測試。由測試結果可見，母線在275V 左右發生短路，關斷電壓尖峰為626V，已經接近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行的短路測試。由測試結果可見，即使母線達到400V，短路電流比在275V 下大45%，關斷電壓尖峰值僅為604V。可見到Vce 被抑制成一個平臺，同時門極電壓Vge 在5V 形成一個電壓平臺，有效抑制了di/dt。

圖8： HybridPACK2 有源電壓箝位實測結果

不足與改進

（1）該設計采用獲得AEC Q100 認證的驅動IC 和IGBT，以及大部分通過的AEC Q200 認證

的汽車級器件，但是ES1D 和P6SMB510A 以及MURA160T3G 并未獲得AEC 認證，在未來設計中將會選用通過AEC Q200 的器件。

（2）該設計僅使用基本有源電壓箝位電路，無法適應更多變更復雜更高工作電壓的環境，

下一步會設計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化方法。還會考慮采用在泄放回路上串聯電容的方法來控制能量的分配，以及應用更大功率IGBT 時并聯推挽輸出級的泄放回路分配。

結論

有源電壓箝位作為一種負反饋閉環電路，在電動汽車及混合動力汽車的 IGBT 驅動

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、弱磁調速等高電壓工況和短路保護等極限工況的可靠性提供了保障。多種優化的有源電壓箝位電路進一步為系統設計的靈活性、平衡性提供了有效的支持。

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