具有有源電壓鉗位功能的電動汽車IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與研究

　　摘要：由于電動汽車及混合動力機(jī)車的電池工作電壓范圍較大，在剎車能量回收、發(fā)電機(jī)發(fā)電、短路保護(hù)等工況下，防止IGBT產(chǎn)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(yīng)用，本文對幾種有源電壓鉗位的具體方式和效果進(jìn)行了分析，并提出在有源電壓鉗位在電動汽車IGBT驅(qū)動應(yīng)用中的優(yōu)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(qū)動系統(tǒng)正在向高電壓、大功率方向發(fā)展，更大電流、更高電壓的IGBT模塊開始得到應(yīng)用。在電機(jī)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

　　抑制關(guān)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(jī)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(tǒng)的額定電流越小，系統(tǒng)的損耗也越低，同時還可以減小導(dǎo)線截面積，從而減輕車重。因此，在系統(tǒng)承受的范圍內(nèi)采用較高的母線電壓成為電動汽車開發(fā)的方向。

　　此外，在剎車能量回收、發(fā)電機(jī)發(fā)電工作等工況下，系統(tǒng)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(tǒng)往往工作在允許的最高電壓狀態(tài)。然而IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的V_ce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(dǎo)致IGBT過壓失效的風(fēng)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(guān)斷使Vce接近耐壓值時對電壓尖峰的抑制是非常必要的。

　　有源電壓箝位方案的優(yōu)勢

　　IGBT關(guān)斷電壓尖峰是由系統(tǒng)寄生電感和關(guān)斷電流變化率決定的，計(jì)算公式如下：
　　V_s=L_s * di/dt
　　L_s表示系統(tǒng)寄生電感，di/dt表示關(guān)斷時流過IGBT的電流變化率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面通常采用疊層母排技術(shù)盡量減小寄生電感，增加并聯(lián)在母線上的吸收電容等方式減小關(guān)斷尖峰。在驅(qū)動電路方面抑制電壓尖峰的方式也有如下幾種：

　　a)增加關(guān)斷電阻阻值。

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