如何保護(hù)汽車逆變器設(shè)計(jì)中的功率晶體管

隨著油電混合車和電動(dòng)車技術(shù)的演進(jìn)，逆變器驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入汽車領(lǐng)域，從空調(diào)機(jī)和加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，一直到驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)等高功率應(yīng)用，所有這些系統(tǒng)的共通點(diǎn)是需要通過(guò)保護(hù)逆變器設(shè)計(jì)中的功率開關(guān)晶體管來(lái)最大限度地提高工作壽命。

汽車系統(tǒng)中的逆變器為電動(dòng)機(jī)控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對(duì)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(lái)調(diào)節(jié)能量的遞送，請(qǐng)參考圖1。通過(guò)微控制器送出開關(guān)信號(hào)，并利用隔離門驅(qū)動(dòng)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(píng)估是否可以使用于汽車逆變器中，但目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的還是IGBT。長(zhǎng)久以來(lái)，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(guò)程中卻存在缺點(diǎn)，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(guò)，為了降低傳遞損耗，通常必須在強(qiáng)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(dòng)機(jī)電源，但這些器件必須加以保護(hù)以確保長(zhǎng)時(shí)間的工作壽命。

錯(cuò)誤保護(hù)避免損壞

降低IGBT傳導(dǎo)損耗通常會(huì)引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時(shí)間，許多逆變器的內(nèi)部或外部錯(cuò)誤情況會(huì)造成逆變器中一或多個(gè)IGBT短路或類似短路的過(guò)載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過(guò)沖，以及IGBT低驅(qū)動(dòng)電壓。由于IGBT會(huì)因這些錯(cuò)誤而受到損壞，因此對(duì)于逆變器設(shè)計(jì)，快速并且可靠的IGBT短路檢測(cè)和保護(hù)就變得非常重要。

但并非所有這些錯(cuò)誤都可以使用相位電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)，一個(gè)比較好的替代做法是分別獨(dú)立檢測(cè)每個(gè)IGBT的負(fù)載電流大小。檢測(cè)負(fù)載電流大小有幾個(gè)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(fù)載電流的電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的閥值大小時(shí)就會(huì)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。不過(guò)IGBT的最大可容忍電流會(huì)依采用的工藝、工作溫度以及門電壓而定，因此在設(shè)定負(fù)載電流觸發(fā)閥值時(shí)必須非常保守，以便限制IGBT的工作范圍。

第三種做法是通過(guò)監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來(lái)檢測(cè)IGBT脫離飽和狀態(tài)的時(shí)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(dòng)情況時(shí)，IGBT會(huì)進(jìn)入線性模式并且VCE上升，造成功率損耗過(guò)大引發(fā)器件失效，檢測(cè)這個(gè)去飽和(DESAT)情況可以達(dá)到和監(jiān)視輸出電流相同的錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)果，但卻有監(jiān)視IGBT真實(shí)工作情況，有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)IGBT更高功率的使用。

圖2 集成了錯(cuò)誤檢測(cè)和軟關(guān)斷，Avago的ACPL-38JT IGBT門驅(qū)動(dòng)光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開關(guān)的錯(cuò)誤情況

和檢測(cè)錯(cuò)誤同等重要的是，逆變器本身設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤分辨能力，當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤情況時(shí)，極可能有較大的電流經(jīng)過(guò)，如果IGBT關(guān)斷過(guò)于快速，那么快速的電流變化(di/dt)以及無(wú)可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過(guò)IGBT的最高電壓容忍大小，帶來(lái)IGBT的損壞并破壞過(guò)電流保護(hù)機(jī)制。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷來(lái)減輕，利用延長(zhǎng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的門極放電時(shí)間降低電壓的變化速度。

錯(cuò)誤分辨能力也有著系統(tǒng)的考量，自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)可以配置為同時(shí)關(guān)斷所有其他門驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一方面，錯(cuò)誤檢測(cè)也可設(shè)計(jì)為每個(gè)IGBT獨(dú)立進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和關(guān)斷，允許通常較為適合汽車牽引應(yīng)用的和緩錯(cuò)誤處理和關(guān)斷策略。自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)也可以包含提供信號(hào)給負(fù)責(zé)管理汽車動(dòng)力系統(tǒng)的微控制器，帶來(lái)額外的響應(yīng)選擇。

可靠性是基本要求

在汽車系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些錯(cuò)誤檢測(cè)和IGBT保護(hù)電路必須有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括低成本、小尺寸以及強(qiáng)固性。由于汽車應(yīng)用對(duì)于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費(fèi)類和工業(yè)應(yīng)用高上許多，因此強(qiáng)固性非常重要，進(jìn)一步說(shuō)，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(dòng)光電耦合器通過(guò)集成去飽合檢測(cè)和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路，以及隔離的錯(cuò)誤信號(hào)和軟關(guān)斷等多個(gè)功能到IGBT門驅(qū)動(dòng)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(jì)的LED確保高溫條件下的更長(zhǎng)工作壽命，內(nèi)置的保護(hù)電路可以節(jié)省數(shù)個(gè)分立器件而降低成本，并通過(guò)解決所有錯(cuò)誤情況，包括可能破壞功率開關(guān)晶體管的低門驅(qū)動(dòng)電壓提高系統(tǒng)的可靠性。

在門驅(qū)動(dòng)和IGBT保護(hù)電路上使用單一集成器件也可以通過(guò)消除分立器件失效點(diǎn)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(guò)預(yù)先測(cè)試的設(shè)計(jì)而有助于縮短設(shè)計(jì)和通過(guò)監(jiān)管審查時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽車準(zhǔn)則進(jìn)行生產(chǎn)和測(cè)試，工作溫度范圍達(dá)到- 40℃到125℃。

隨著高功率電氣系統(tǒng)在汽車設(shè)計(jì)中的角色越來(lái)越加重要，錯(cuò)誤保護(hù)成為確保長(zhǎng)時(shí)間工作壽命的必備條件，在逆變器設(shè)計(jì)中的功率開關(guān)使用同時(shí)提供有檢測(cè)和響應(yīng)機(jī)制的集成方案，可以通過(guò)緊湊、低成本并且高可靠性的方式滿足這個(gè)需求。