电动汽车用电机控制器IGBT的驱动与保护技术

收稿日期收稿日期 2011 06 10 修回日期修回日期 2011 6 10 作者简介 作者简介 李红梅 1969 女 安徽无为县人 博士 合肥工业大学教授 博士生导师 王晓晨 1975 男 安徽淮南市人 博士 合肥工业大学副教授 硕士生导师 阳江明 1986 男 安徽太湖县人 硕士 电动汽车用电机控制器电动汽车用电机控制器 IGBT 的驱动与保护技术的驱动与保护技术 王晓晨 1 阳江明2 1 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009 2 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009 3 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009 摘摘 要要 电动汽车电机控制器由于其特殊的使用环境对IGBT的驱动和保护提出了特殊要求 IGBT 的可靠驱动和保 护技术是电机驱动器中的关键部分 直接关系到电动汽车行驶的安全和可靠性 本文针对电动汽车电机控制 器提出了IGBT寄生参数对其驱动性能的影响 分析了栅极驱动电路设计需要注意的问题 介绍了IGBT的过 流 过压 欠压和过热保护电路的设计 关键词关键词 电动汽车 电机控制器 IGBT 模块 驱动电路 保护技术 中图分类号 中图分类号 TU 411 01 文献标识码 文献标识码 A Drive and protection technology for IGBT used in EV s Motor controller LI Hong mei1 WANG Xiao chen2 YANG Jiang ming3 1 School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 China 2 School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 China 3 School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 China Abstract Special requirements are put forward for the drive and protection of IGBT modules used in EV s Motor controller because of special working environment reliable drive and protection technology of IGBT is critical part of the motor controller and is related to electric vehicle s safety and reliability directly In this paper the effect of IGBT s parasitic parameter to the motor drive is put forward some questions of gate drive circuit which should be paid attention to are analyzed on top of that design of the overcurrent overvoltage undervoltage and overheat protection circuit are introduced Key words Electric vehicle Motor controller IGBT modules drive circuit protection technology 0引引 言言 IGBT 绝缘栅双极晶体管 是MOSFET与双 极晶体管的复合器件 自1986年投放市场以来 IGBT以其输入阻抗高 开关速度快 通态电压低 阻断电压高 承受电流大等特点 成为当今功率 半导体器件发展的主流 特别是近年来大力发展 的绿色经济中 IGBT成为新能源 高铁 电动汽 车 智能电网等新兴产业或产品中必不可少的功 率 芯脏 由于电动汽车电机控制器工作环境干扰比较 大 IGBT寄生参数 1 的影响关系到驱动电路的设 计和动静态性能 有必要提出进行分析 电机控 制器是电动汽车的关键部分 对其进行过流 过 压 欠压保护不仅能延长电动汽车使用寿命 降 低维护成本 而且直接关系到电动汽车的安全稳 定行驶 此外 由于电动汽车环境温度高 IGBT 热损耗比较大 效果良好的散热系统对于其稳定 可靠工作也十分重要 1影响影响 IGBT 驱动的寄生参数驱动的寄生参数 2 1极间寄生电容 如下图 1 所示 分别为 GC C GE C CE C IGBT 的极间寄生电容 这三个电容组成了 IGBT 的三个寄生电容参数 iesGCGEoesGCCEresGC CCCCCCCC 其中 称为输入电容 称为输出电容 ies C oes C 称为逆导电容 res C 图 1 IGBT 极间寄生电容 实际上 IGBT 的开通和关断的过程主要是对 寄生电容充电和放电的过程 以 IGBT 开通过程为 例 栅射电压从零上升到 开启电压 GE V GE th V 的过程中 栅极电流主要对充电 当达到 GE C 时 已经基本充满 则是刚刚开 GE th V GE C GC C 始充电 栅射电压从继续上升到 IGBT 饱和 GE th V 导通的过程中 栅极电流主要对充电 GC C 为了说明极间寄生电容参数对 IGBT 的工作影 响 这里以 15V 0V 供电情况为例进行分析 如图 2 当半桥的上桥臂 IGBT 开通时 下桥 臂的 IGBT 二极管会产生一个电压变化 CE dVdt 在下桥臂 IGBT 的集电极和栅极之间产生一个电流 给下桥臂 IGBT 的寄生电容充电 电流流 CG i CG i 经米勒电容 一系列电阻 和直流母线 栅射 GE C 电压可由下式得到 CE GEDriverGon offGintCG dV VRRRC dt 如果大于开启电压 IGBT 就会发 GE V GE th V 生误导通 当下桥臂的 IGBT 动作时同理 图 2 寄生参数的影响 2 2 杂散电感 射极杂散电感对 IGBT 的开关过程也有一定影 响 如图 2 所示 当 IGBT 关断 开通时 2 T 1 T 主电流将从续流二极管转移到 二极管的反 1 D 1 T 向恢复过程产生 从而在上产生感 2 C didt 2E L 应压降 使的发射极电位变为负 如果 2E V 2 T 足够大 当大于 IGBT 的开启电压时 C didt GE V 就会导致误导通 造成上下 IGBT 直通短路 2 T 2 IGBT 的栅极驱动的栅极驱动 2 1 栅极电阻的影响 如图 2 所示 栅极电阻包括栅极驱动电路的 内阻抗 栅极串联电阻和 IGBT 模 Driver R Gon off R 块的内阻抗 随着驱动电路形式的改 Gint R Driver R 变而改变 由所选的 IGBT 模块决定 因此 Gint R 可以通过调节栅极串联电阻的值来改变栅 Gon off R 极驱动特性 前面提到 IGBT 的开通和关断过程主要是对寄 生电容充电和放电的过程 而栅极串联电阻 可以控制充放电时间常数 进而控制 Gon off R 的前后沿陡度和 IGBT 的开关损耗 GE V 增加 前后沿变缓 IGBT 开关过程延 Gon off R GE V 长 可以减小 IGBT 承受的浪涌电压和电流 但开 关损耗增加 减小 前后沿变陡 Gon off R GE V IGBT 开关过程缩短 开关损耗降低 但 IGBT 承 受的浪涌电压和电流增大 电动汽车电机控制器 IGBT 的栅极电阻的选择 应当根据模块选型 散 热系统开关损耗承受能力和保护电路的能力综合 考虑 实际应用中 可以把分解成和 Gon off R Gon R 两个栅极电阻 分别控制 IGBT 开通和关断 Goff R 特性 而且栅极电阻最好使用无感电阻 如果是 普通电阻 可以用几个电阻并联代替 一方面可 以减小回路电感及其对驱动电压波形的影响 另 一方面多个电阻可以分担驱动电流 有利于增强 热扩散 如果单个电阻损坏时系统也可临时运行 避免损坏 IGBT 2 2 栅射电容 在 IGBT 的应用中 常常会在栅射极之间并接 一个电容 其主要作用是在 IGBT 开通过程中 G C 控制和 目的是减小开通损耗 C dIdt CE dVdt 减小续流二极管承受的压力 前面提到 di dt 仅仅增加 在最大值允许的范围内 G R C dIdt 会增加开通损耗 有了额外并接的栅射电容 on E 就可以通过和 提供的 G C C dIdt G R GE C G C 时间常数来控制 如图 2 所示 2 3 栅极驱动电路 IGBT 的驱动电路必须具备两个基本的功能 一是实现控制电路与 IGBT 栅极的电气隔离 二是 提供合适的栅极驱动脉冲 驱动电路的形式主要 有 分立元件驱动电路 光耦驱动电路 厚膜驱 动电路 专用集成驱动电路 各种驱动电路的在 许多文章和书籍里面都有详细介绍 2 3 此处不 再赘述 需要强调的是 电动车电机控制器中 IGBT 的 开关频率为几 kHz 甚至十几 kHz 极短的开通和 关断时间有利于减小过渡过程中的能量损耗 但 这会导致在隔离处输出端的电压变换率高达数 因此隔离处必须具有极小的耦合电容 kVs 以阻止干扰从输出端传递到控制端 避免由于驱 动电路缺乏噪声抑止力而损坏 IGBT 所以 du dt 在隔离器件的选型上应当慎重考虑 电动汽车电机控制器为三相全桥驱动 一般 需要 4 组 低边驱动共用电源 或 6 组 低边驱 动独立供电 相互隔离的电源 为了提高集成度 和降低成本 一般均采用低边驱动共用电源的方 式 当四组驱动电源不参与反馈时 在空载 待 机 和负载 门极的 PWM 驱动信号工作 模式下 电源的电压值有一定幅值的变化 例如某驱动板 带 IGBT 模块工作 在 SVPWM 调制模式下 调 制频率为 10KHz 待机时负电源电压值为 10V 9V 当门极开始工作后 负电源为 8V 6V 当调 制频率增加到 15KHz 时 负电源的电压约为 5V 正电源则可以维持在 15V 因此 采用双电 源供电时全桥驱动的下桥臂电源设计 4 应注意 当下桥臂电源没有反馈 开关电源负压设计应该 取到 5V 绝对值 以上 为电压值幅值变化提供 一定的裕量 典型值可取为 7 5V 8V 或者 10V 等 如果驱动电路采用单电源供电 通常可以通 过使用具有负压产生功能的驱动 IC 或者使用不带 负压功能的驱动 IC 外接无源器件产生负压来使 IGBT 可靠关断 采用自带负压产生功能的驱动 IC 一般选择 20V 通过内部电路转换成 15V 的栅极 导通电压和 5V 的栅极关断电压 如富士公司的 EXB840 841 等 对于不带负压产生的驱动 IC 电 源电压应当根据芯片的工作电压范围和需要的栅 极开通和关断电压综合考虑 如果需要的开通和 关断栅压分别 15V 为 5V 则电源电压选择 20V 用于产生负压的无源器件选值应注意 稳 压管的反向击穿电压值就是需要的负栅压值 这 里以 IR 公司的 IR2110 为例来说明 如图 3 所示 在上下管的驱动电路中均加上 由电容和稳压管组成的负压产生电路 上管为 和 下管为和 该电路工作原理 5 C 2 ZD 6 C 1 ZD 为 电源电压为 20V 单电源供电 上电期间 CC V 电源通过给充电 由于的箝位作用 1 R 6 C 1 ZD 上保持 5V 的电压 在 12 脚 LIN 端为高电平时 6 C 1 脚低端输出通道 LO 输出 20V 高电平 这时加在 图 3 IR2110 负压产生电路 下管栅极上的电压为 20V 5V 15V IGBT 正常 2 S 导通 当 12 脚输出低电平时 1 脚输出为 0V 此 时栅极上的电压为 0V 5V 5V 从而实现关断 2 S 时的负压 3 车用电机控制器车用电机控制器 IGBT 的保护的保护 3 1 车用电机控制器 IGBT 的过流和短路保护 IGBT 的过流保护根据过载倍数分可以分为两 种类型 一类是低倍数 1 2 1 5 倍 的过载保护 另一类是高倍数 不加保护时可达 8 10 倍 的短 路保护 IGBT 在过载运行时的开关特性和通态特性与 其在额定条件下运行时并没有什么本质区别 但 由于较大的负载电流会引起 IGBT 内部较高的热损 耗 长期过载将使其过热损坏 对于过载引起的 过流 通常不必快速响应 而对于短路情况 由 于 IGBT 能承受短路电流的时间很短 因此需要比 过载保护快得多的保护速度 在电动汽车电机控制器 U V W 输出回路中 已经串接了两只或三只霍尔电流传感器 其输出 信号经后级电路处理成数字量信号送入控制芯片 当检测到输出相电流超过设定的某值时封锁所有 IGBT 驱动电路的输入脉冲 控制器停止工作 并 通过 CAN 通讯向整车控制器报故障 但电流传感 器电路往往具有较大的时间常数 特别是开环霍 尔电流传感器 不能对 IGBT 实施 s 级快速保护 事实上 对 IGBT 实施过载和短路保护 很大程度 上依赖于带有过流保护功能的驱动 IC 例如富士 公司的 EXB840 841 三菱电机的 M57959AL M57962AL 等 这些驱动 IC 大多是利 用检测的值来实现快速过流保护的 CE sat V 对于分立元器件组成的 IGBT 驱动电路 在短 路电流出现时 为避免关断电流的过大造 di dt 成过压和降低电磁干扰 通常采用降栅压的方法 3 实 现过流保护 具体方法是 检测到 IGBT 过流时马 上降低栅压 但在设定的延迟时间内仍维持其导 通 如果延时到达后故障依然存在 则关断 IGBT 若故障消失 驱动电路恢复正常工作 由 于故障电流被限制在较小值 所以降低了器件故 障时的功耗 延长了器件抗短路时间 降低了关 断时的 实际应用中 降栅压的速度也是 di dt 一个重要因素 它直接决定了故障电流下降的 慢降栅压技术就是通过控制降栅压的速 di dt 度来控制故障电流下降速率 从而抑制 IGBT 的 和的峰值 如下图 4 所示 du dt CE V 图 4 实现慢降栅压的电路 正常工作时 由于 IGBT 导通饱和压降在 3V 左右 而栅极驱动和保护电路电源电压在 15V 左 右 导通 将 a 点电压钳位在稳压二极管 1 VD 的击穿电压以下 晶体管始终保持截止状 1 ZD 1 VT 态 IGBT 通过门极电阻正常开通关断 电容 为硬开关应用场合提供一个很小的延时 使得 2 C IGBT 开通时有一定的时间从高电压降到通态 CE V 压降 而不使保护电路动作 当电路发生过流或 短路故障时 上升 a 点电位随之升高 达到 CE V 一定值时击穿 开通 b 点电位下降 电 1 ZD 1 VT 容通过充电 当其电压从零开始上升到 1 4V 1 C 1 R 时 开通 栅射电压随着电容电压的上升 2 VT GE V 而下降 可以通过调节的容值来控制其充电速 1 C 度 进而控制的下降速度 当电容电压上升到 CE V 稳压二极管的击穿电压时 击穿 2 ZD 2 ZD 被钳位在某一固定的数值 慢降栅压过程结束 CE V 与此同时 驱动电路通过光耦将过流信号输出 如果在延时过程中故障信号消失了 则 a 点电位 降低 恢复截止 通过放电 d 点电位 1 VT 1 C 2 R 升高 也恢复截止 上升 电路恢复正常 2 VT GE V 工作状态 3 2 车用电机控制器 IGBT 的过压和欠压保护 3 2 1 车用电机控制器 IGBT 过电压保护 电动汽车电机控制器的过压主要有两种 一 种是直流母线过电压 另一种是 IGBT 关断过程以 及与之并接的二极管反向恢复时集电极在 di dt 主电路的分布电感上产生的过电压 直流母线过电压可以通过设置电压检测电路 来获取 可以直接从母线上取电 经过一系列电 阻分压后采样调理 得到一个与母线电压近似成 线性关系的 3 3V 以下电压信号送入 DSP A D 口处 理 或者送入电压比较器设置保护动作 当检测 电路检测到母线电压高于某设置值时 控制器立 即停止工作 并报过压故障 直流母线过电压产生的主要原因是汽车回馈 制动时馈送到直流母线上的能量过大 电动汽车 控制器由动力电池供电 实际上直流母线过压是 再生过电压 即汽车制动时控制器的频率下降速 率设置过大 使电机处于发电状态时产生的能量 回馈到母线后超过了控制器过压保护阀值 因此 需要根据电动汽车的惯量和载荷状态合适调整频 率下降速率 避免发生母线过压导致的停车事故 IGBT 关断过程中的过电压可以通过在 IGBT 主电路中设置缓冲保护电路 2 来减小 IGBT 的缓 冲保护电路可以分为充放电型和放电阻止型两大 类 如下图所示 a RC 吸收型 b RCVD 吸收型 图 5 充放电型 IGBT 关断缓冲吸收电路 图 6a 所示为 RC 型吸收电路 吸收电容和电 阻串联后并接在 IGBT 的两端 对关断浪涌电压的 抑制效果比较好 一般情况下电阻 R 的取值不能 过大 以获得较好的吸收效果 但在使用大容量 IGBT 时 必须使用阻值较大的缓冲电阻 以避免 开通时集电极电流过大使 IGBT 的功能受到限制 此外 RC 型吸收电路损耗比较大 不适合用于高频 场合 多用于焊机和开关电源 图 6b 为 RCVD 型吸收电路 与 RC 型相比 增加了缓冲二极管 因此缓冲电阻可以取比较大 的值但是其对关断浪涌电压的抑制能力低于 RC 型 常用于变频器 图 7 所示为三种放电阻止型缓冲电路 吸收 电容 的放电电压为电源电压 每次关断前 1 C 2 C 将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电 1 C 2 C 源 吸收电路的损耗较 RCVD 型小 因此适合于 高频应用场合 但由于吸收电容电压在 IGBT 关断 时从电源电压开始上升 放电阻止型吸收电路对 关断浪涌电压的吸收效果比 RCVD 型稍差 a LC 型 b 集中 RLCVD 型 c 分散 RLCVD 型 图 6 三种放电阻止型 IGBT 关断缓冲吸收电路 3 2 2 车用电机控制器 IGBT 欠电压保护 由于电动汽车电机控制器的能量来源是车载 动力电池 5 其容量有限 电源电压随着使用时 间逐渐降低 当动力电池电压下降时 一方面为 了提供必要的输出功率 母线电流近似线性增大 特别是电动汽车高速运行或者低速爬坡时 使得 动力电池放电时间大大缩短 对续航里程和电池 寿命不利 此项功能一般由 BMS 实现 另一方 面 使得 DC DC 变换器的输出电压达不到 IGBT 饱和导通电压 逆变器不但没有足够的功率输出 而且还会比正常时发热更多 甚至损坏控制器 所以设置欠压保护对于电动汽车电机控制器的安 全运行非常重要 电动汽车电机控制器的欠压保护主要有启动 电压自检和运行过程中欠压保护 当启动电动汽 车时如果检测到母线电压低于某设置值 A 控制 器不能响应启动信号 运行过程中 检测到母线 低于某设置值 B 控制器限制输出转矩并通过 CAN 通讯向整车控制器报欠压警告 当母线电压 低于某设置值 C 时控制器停止工作 3 3 IGBT 的过热保护 电动车用电机驱动器必须适应车上恶劣的温 度环境 一方面汽车零部件工作在相对狭小的环 境中 热量不易散去导致环境温度较高 另一方 面电机驱动器体积小 流过 IGBT 的电流较大 开 关频率较高 导致其热损耗比较大 如果 IGBT 产 生的热量不能及时散掉 当结温超过时就 j T maxj T 可能导致过热损坏 IGBT 过热的原因可能是驱动 波形不够好 驱动电流过大或开关频率过高 也 可能是散热状况不良等 IGBT 的过热保护主要有两种方