如何保護汽車逆變器設計中的功率晶體管

安華高科技隔離產品事業(yè)部研發(fā)工程師 Patrick Sullivan

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進入汽車領域，從空調機和加熱系統(tǒng)等低功率應用，一直到驅動和再生制動系統(tǒng)等高功率應用，所有這些系統(tǒng)的共通點是需要通過保護逆變器設計中的功率開關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(jié)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(tài)的功率開關，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被廣泛應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產品尋求降低開關和傳導損耗，不過，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。

圖1 汽車系統(tǒng)中的逆變器使用功率開關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(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，當發(fā)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(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斷，Avago的ACPL-38JT IGBT門驅動光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開關的錯誤情況

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(xiàn)IGBT的軟關斷來減輕，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斷所有其他門驅動來實現(xiàn)，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，允許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(tǒng)的微控制器，帶來額外的響應選擇。

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待通常要比其他許多消費類和工業(yè)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(huán)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，如圖2中Avago的ACPL-38JT門驅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(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(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晶體管的低門驅動電壓提高系統(tǒng)的可靠性。

在門驅動和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先測試的設計而有助于縮短設計和通過監(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。