如何保護汽車逆變器設(shè)計中的功率晶體管

隨著油電混合車和電動車技術(shù)的演進，逆變器驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)進入汽車領(lǐng)域，從空調(diào)機和加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，一直到驅(qū)動和再生制動系統(tǒng)等高功率應(yīng)用，所有這些系統(tǒng)的共通點是需要通過保護逆變器設(shè)計中的功率開關(guān)晶體管來最大限度地提高工作壽命。

汽車系統(tǒng)中的逆變器為電動機控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉(zhuǎn)換成為交流高電壓，其中使用功率開關(guān)來調(diào)節(jié)能量的遞送，請參考圖1。通過微控制器送出開關(guān)信號，并利用隔離門驅(qū)動器作為低電壓微控制器和高電壓功率開關(guān)間的接口。

許多新形態(tài)的功率開關(guān)，如碳化硅，都被評估是否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(jīng)被廣泛應(yīng)用于高電壓和高功率的處理上，但在發(fā)展過程中卻存在缺點，為了把IGBT中的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產(chǎn)品尋求降低開關(guān)和傳導(dǎo)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。

圖1 汽車系統(tǒng)中的逆變器使用功率開關(guān)IGBT器件控制電動機電源，但這些器件必須加以保護以確保長時間的工作壽命。

錯誤保護避免損壞

降低IGBT傳導(dǎo)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(nèi)部或外部錯誤情況會造成逆變器中一或多個IGBT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(qū)動電壓。由于IGBT會因這些錯誤而受到損壞，因此對于逆變器設(shè)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(chǎn)生正比于IGBT負載電流的電壓信號，當(dāng)信號超過設(shè)定的閥值大小時就會觸發(fā)保護機制。不過IGBT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(shè)定負載電流觸發(fā)閥值時必須非常保守，以便限制IGBT的工作范圍。

第三種做法是通過監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來檢測IGBT脫離飽和狀態(tài)的時間，在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低，當(dāng)發(fā)生輸出短路或低門極驅(qū)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(fā)器件失效，檢測這個去飽和(DESAT)情況可以達到和監(jiān)視輸出電流相同的錯誤檢測結(jié)果，但卻有監(jiān)視IGBT真實工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點，帶來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門驅(qū)動光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開關(guān)的錯誤情況

和檢測錯誤同等重要的是，逆變器本身設(shè)計的錯誤分辨能力，當(dāng)檢測到錯誤情況時，極可能有較大的電流經(jīng)過，如果IGBT關(guān)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(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷來減輕，利用延長錯誤發(fā)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(tǒng)的考量，自動錯誤檢測可以配置為同時關(guān)斷所有其他門驅(qū)動來實現(xiàn)，另一方面，錯誤檢測也可設(shè)計為每個IGBT獨立進行錯誤檢測和關(guān)斷，允許通常較為適合汽車牽引應(yīng)用的和緩錯誤處理和關(guān)斷策略。自動錯誤檢測也可以包含提供信號給負責(zé)管理汽車動力系統(tǒng)的微控制器，帶來額外的響應(yīng)選擇。

可靠性是基本要求

在汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個關(guān)鍵點，包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車應(yīng)用對于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費類和工業(yè)應(yīng)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(huán)境，包括極廣的工作溫度條件以及高幅射和感應(yīng)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門驅(qū)動光電耦合器通過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)斷等多個功能到IGBT門驅(qū)動器中滿足了所有這些需求。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(shè)計的LED確保高溫條件下的更長工作壽命，內(nèi)置的保護電路可以節(jié)省數(shù)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(guān)晶體管的低門驅(qū)動電壓提高系統(tǒng)的可靠性。

在門驅(qū)動和IGBT保護電路上使用單一集成器件也可以通過消除分立器件失效點協(xié)助提高系統(tǒng)的可靠性，另外，集成器件也可借由完整和通過預(yù)先測試的設(shè)計而有助于縮短設(shè)計和通過監(jiān)管審查時間。舉例來說，ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽車準則進行生產(chǎn)和測試，工作溫度范圍達到- 40℃到125℃。

隨著高功率電氣系統(tǒng)在汽車設(shè)計中的角色越來越加重要，錯誤保護成為確保長時間工作壽命的必備條件，在逆變器設(shè)計中的功率開關(guān)使用同時提供有檢測和響應(yīng)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。