具有有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与

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摘 要: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了分析,并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.

关 键 词:有源电压钳位;电动汽车;门极驱动电路;IGBT短路保护;电压尖峰抑制

DOI:10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.015

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.

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.

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等于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

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0.8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(blockinoltage).

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.

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.

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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