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具有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与研究

关注列表来源:壹芯微发布日期 2020-07-27 浏览:-

具有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与研究

由于电动汽车及混合动力机车的电池工作电压范围较大,在刹车能量回收、发电机发电、短路保护等工况下,防止IGBT 产生过压失效成为一个必须深入研究的课题。有源电压钳位功能作为防止IGBT 过压失效的有效手段开始有所应用,本文对几种有源电压钳位的具体方式和效果进行分析,基于英飞凌汽车级IGBT Hybridpack 2 及汽车级驱动芯片1ED020I12FA 设计具体驱动电路,给出相关的测试结论和实验数据,提出在有源电压钳位在电动汽车IGBT 驱动应用中的优化建议。

引言

随着混合动力汽车及电动汽车的日益普及,其驱动系统正在向高电压、大功率方向发展,更大电流更高电压的IGBT 模块开始得到应用。在电机控制器系统设计中,驱动电路设计对系统的稳定性可靠性发挥着至关重要的作用。

(1)抑制关断电压尖峰的必要性

为了让电动汽车和混合动力汽车具有更大的最高时速和加速度,需要采用更大功率的电机和更大功率的IGBT 模块。在同样功率情况下, 母线电压越高,系统的额定电流越小,系统的损耗也越低,同时还可以减小导线截面积,从而减轻车重。因此,在系统承受的范围内采用较高的母线电压成为电动汽车开发的方向。

源电压钳位功能

图1:IGBT 关断时产生的电压尖峰

此外,在刹车能量回收、发电机发电工作等工况下,系统往往工作于超过额定母线电压的工况下。尤其是为了尽量回收下坡时电动汽车的重力势能,系统往往工作在允许的最高电压状态。然而IGBT 关断时产生的Vce 电压尖峰叠加在上述较高的母线电压上(见图1),有超过IGBT 耐压值导致IGBT 过压失效的风险。这也是IGBT 失效的最典型的原因之一。

因此,为满足电动汽车及混合动力汽车较高母线电压下工作的需要,在 IGBT 关断使Vce 接近耐压值时对电压尖峰的抑制是非常必要的。

(2)有源电压箝位方案的优势

IGBT 关断电压尖峰是由系统寄生电感和关断电流变化率决定的,计算公式如下:

Vs=Ls * di/dt

Ls 表示系统寄生电感,di/dt 表示关断时流过IGBT 的电流变化率,在系统设计方面通常采用叠层母排技术尽量减小寄生电感,增加并联在母线上的吸收电容等方式减小关断尖峰。在驱动电路方面抑制电压尖峰的方式也有如下几种:

a)增加关断电阻阻值。

增加关断电阻阻值会减小关断 IGBT 的电流变化率,从而达到降低关断电压尖峰的作用。但是这种方法的缺点是,同时增加了 IGBT 的关断损耗,也就降低了 IGBT 的承受电流能力。在电动汽车应用中,为了充分发挥系统的能力,这种方法是不可取的。

b)两级关断技术TLTO(two level turn off)

TLTO 是在IGBT 关断时驱动电压不直接转为负电压,而是在大约 7V 左右维持一段时间再转为负电压,具体原理见图2。英飞凌汽车级驱动芯片1ED020I12FTA 即采用了该项技术。

源电压钳位功能

图2:1ED020I12FTA 退饱和关断时序图

c)有源电压箝位(Active Voltage Clamping)

有源电压箝位的原理是:当集电极电位过高时,TVS 被击穿,有电流流进门极,门极电位得以抬升,从而使关断电流不要过于陡峭,进而减小尖峰。基本的有源电压箝位电路和波形如图3 和图4。与前两种方法相比,有源电压箝位配置简单,工作点可以通过TVS 管调节,经过优化还可以方便的改变关断时的箝位波形。尤其在系统发生短路保护关断 IGBT 时,该方法尤其有效,后面会详细说明。由于具有负反馈闭环工作特性,优于调整门极电阻和 TLTO 的开环控制。

源电压钳位功能

图3:有源电压箝位基本电路

源电压钳位功能

图4:有源电压箝位波形示意

有源电压箝位方案

前文介绍的基本有源电压箝位电路,工作时有个较大的缺点:关断IGBT 时推挽输出 的下管是导通状态。在TVS 因电压尖峰过高而击穿时,一部分能量回到 IGBT 门极用于减小di/dt,而另一部分能量通过门极电阻 Rg 和推挽输出的下管回到电源负极。这部分能量没有起到减小di/dt 作用,又增加了TVS 管的损耗(如图5)。对于电动汽车采用的650V 耐压的IGBT 模块如Hybridpack 2,这时TVS 工作在数百伏电压下,因此损耗很大。

源电压钳位功能

图5:基本有源电压箝位电流方向

为了克服上述缺点,一种改进型的有源电压箝位电路被提出。该电路在推挽输出前 级和门极各放置一个回路,通过调节两个回路的电阻阻值来控制击穿 TVS 后的电流。向走向推挽输出前级的回路可以放大门极电流增强减小 di/dt 效果。同时为了防止所有能量涌入前级造成震荡甚至IGBT 误开通,另一直接通向门极的回路泄放另一部分电流。如图6。

源电压钳位功能

图6: 优化的有源电压箝位电路

基于1ED020I12FA 的门极驱动电路

采用英飞凌汽车级IGBT 模块HybridPACK2,汽车级驱动芯片1ED020I12FA 设计基本有源电压箝位电路,如图7。

其中VP 和VN 是驱动IGBT 工作的正负电源,分别为+16V 和-8V。COL 接IGBT 集电

极,G 接IGBT 门极,GND 接IGBT 发射极。D3 即TVS 管采用P6SMB510A,可耐受峰值功率600W,额定功率5W。D4 采用反向回复时间只有15ns,反向电压为200V 的ES1D。为了凸显有源电压箝位电路的抑制电压尖峰能力,关断电阻选用了数据手册中的标称值

欧姆,实际电路考虑其他综合因素该值会更大一些,如2.2 欧姆左右。

源电压钳位功能

图7:基于1ED020I12FA 的有源电压箝位驱动电路

测试数据

使用前文所述的1ED020I12FA 驱动电路和HybridPACK2 模块进行短路测试,IGBT 寄生电感14nH,母线排及电容内部寄生电感15nH。检验有源电压箝位的保护效果,如图8a 和8b。紫色C3 为门极电压波形Vge,绿色线C4 为集电极电流波形Ic,蓝色线C2 为电压波形Vce。

图8a 是不使用有源电压箝位功能时的短路测试。由测试结果可见,母线在275V 左右发生短路,关断电压尖峰为626V,已经接近HybridPACK2 的650V 耐压限值(blocking voltage)。

图8b 是加上基本有源电压箝位电路后进行的短路测试。由测试结果可见,即使母线达到400V,短路电流比在275V 下大45%,关断电压尖峰值仅为604V。可见到Vce 被抑制成一个平台,同时门极电压Vge 在5V 形成一个电压平台,有效抑制了di/dt。

源电压钳位功能

图8: HybridPACK2 有源电压箝位实测结果

不足与改进

(1)该设计采用获得AEC Q100 认证的驱动IC 和IGBT,以及大部分通过的AEC Q200 认证

的汽车级登录,但是ES1D 和P6SMB510A 以及MURA160T3G 并未获得AEC 认证,在未来设计中将会选用通过AEC Q200 的登录。

(2)该设计仅使用基本有源电压箝位电路,无法适应更多变更复杂更高工作电压的环境,

下一步会设计功能更加完善的有源电压箝位电路,不仅限于前文介绍的优化方法。还会考虑采用在泄放回路上串联电容的方法来控制能量的分配,以及应用更大功率IGBT 时并联推挽输出级的泄放回路分配。

结论

有源电压箝位作为一种负反馈闭环电路,在电动汽车及混合动力汽车的 IGBT 驱动

电路中是非常必要的,拓展了可工作的母线电压、刹车能量回收、弱磁调速等高电压工况和短路保护等极限工况的可靠性提供了保障。多种优化的有源电压箝位电路进一步为系统设计的灵活性、平衡性提供了有效的支持。

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