新能源汽车技术（第二版）：第四章电力电子变换

新能源汽车技术（第二版）

高等职业教育“十三五”规划教材新能源汽车发展史新能源汽车现状储能装置电力电子变换电动汽车电动机第一章第二章第三章第四章第五章电动汽车变频器第六章电动汽车传动系统典型纯电动汽车典型混合动力汽车氢燃料电池汽车其他新能源汽车第七章第八章第九章第十章第十一章蓄电池管理系统第十二章直流—直流转换器电动助力转向系统电动汽车制动系统电动汽车仪表电动汽车空调系统第十三章第十四章第十五章第十六章第十七章电动汽车充电第十八章电动汽车高压安全技术第十九章

第四章活塞连杆组故障诊断与修复

电力电子变换

第一节

活塞连杆组故障诊断与修复

IGBT和IPM简介

电力电子变换是一门复杂的学科，对于高职学生，为了学习电动汽车技术，要掌握电力电子变换中换流开关方面的内容。电力开关元件主要包括：（1）电力晶体管：通常用GTR表示，GTR是巨型晶体管GiantTransistor的缩写。（2）电力场效应晶体管：简称POWERMOSFET。（3）绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）：IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的缩写。（4）智能功率模块（IPM）：IPM是IntelligentPowerModules的缩写。

继晶闸管之后出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场效应晶体管(MOSFET)等电力电子器件。这些器件通过对基极(门极、栅极)的控制，既可使其导通，又可使其关断，属于全控型器件。因为这些器件具有自关断能力，所以通常称为自关断器件。和晶闸管电路相比，采用自关断器件的电路结构简单，控制灵活方便。自关断器件的出现和应用，给电力电子技术的发展注入了强大的活力，极大地促进了各种新型电力电子电路及控制方式的发展。图4-1所示为电力电子部件的应用。

图4-1电力电子部件的应用

除GTR、GTO、MOSFET外，近年来其他新型电力电子器件也得到了迅猛发展。因场控型器件具有驱动功率小、开关速度快的特点，所以这些新型器件多为场控型器件和其他器件的复合。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几万赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。本节主要为对于近年出现并发展迅速的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)的工作原理、应用、驱动电路、缓冲和保护电路进行讲解。

1、IGBT结构IGBT结构如图4-2所示。GTR由N+、P、N-、N+四层半导体组成，无SiO2绝缘层；MOSFET由N+、P、N-、N+四层半导体组成，但有SiO2绝缘层；IGBT由N+、P、N-、N+、P+五层半导体组成，有SiO2绝缘层；图中黑色箭头代表正电子，白箭头代表负电子，仅有电子流动的为单极性管，有正负电子流动的为双极性管。1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）图4-2电子电子元件结构

2、IGBT端子和导通原理IGBT的工作原理是GTR和MOSFET工作原理的复合，工作原理如图4－2所示。GTR是C(collector集电极)、B（base基极）、E(emitter发射极)三个电极，如图中的GTR中BE间通过一个小电流，则在CE间有大电流流过，是电流放大电流的器件。MOSFET是D（drainage漏极）、G（Gate栅极）、S（source源极）三个极，如图中的MOSFET中GS间施加一个电压，则在DS间有大电流流过，是电压放大电流的器件。IGBT是C（collector集电极)、G（Gate栅极）、E(emitter发射极)三个极，如图中的IGBT中GE间施加一个电压，则在CE间有大电流流过，是电压放大电流的器件。1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）

2、IGBT端子和导通原理IGBT绝缘栅极双极型晶体管是双极型电力晶体管GTR和MOSFET的复合。IGBT是通过栅极驱动电压来控制的开关晶体管，工作原理同MOSFET相似。GTR电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流也较大。MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）

3、IGBT模块图4-3所示为两单元IGBT功率模块，在模块内部有两个IGBT功率开关。1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）图4-3两单元IGBT功率模块

1、智能功率模块（IPM）简介智能功率模块（IntelligentPowerModule，IPM）是在IGBT的外围集成了驱动和诊断电子电路，从而实现驱动和诊断的功能。随着IGBT的工作频率在20kHz的硬开关及更高的软开关应用中，智能功率模块IPM代替了MOSFET和GTR。2、智能功率模块（IPM）功能具体功能有栅极驱动，短路保护，过电流保护，过热保护和欠电压锁定（1）驱动功能。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，故IPM功耗小。2、智能功率模块（IPM）

2、智能功率模块（IPM）功能（2）诊断功能。出现过电压、过电流和过热等故障时，检测电路可将检测信号送到DSP作中断处理。①过电流保护功能。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路引起的过电流时，IGBT将被关断，同时送出一个故障信号。②过温保护功能。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。③欠电压保护功能。驱动电压过低（一般为15V）会造成驱动能力不够，增加导通损坏，IPM自动检测驱动电源电压，当低于一定值超过10μs时，将截止驱动信号。2、智能功率模块（IPM）

2、智能功率模块（IPM）功能（2）诊断功能。④其他功能。IPM内藏相关的外围电路，无须采取防静电措施，大大减少了元件数目，体积相应小。桥臂对管互锁是在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁，有效防止上下臂同时导通。优化的门级驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线，抗干扰能力强。2、智能功率模块（IPM）

3、智能功率模块构造图4-4所示为IPM内部构造。IPM智能功率模块采用多层环氧树脂工艺，小功率IPM采用一种基于多层环氧树脂黏合的绝缘技术；铜箔直接铸接工艺，中大功率采用陶瓷绝缘结构。2、智能功率模块（IPM）图4-4IPM内部构造

4、智能功率模块组合IPM模块有常用封装形式（一单元、两单元、六单元）如图4-5所示，图中只给出了IPM模块中IGBT的组合个数，具体工作参考IPM节。2、智能功率模块（IPM）图4-5IPM常用封装形式

第二节

活塞连杆组故障诊断与修复

IGBT的栅极驱动和隔离

IGBT的驱动电路必须具备以下两个功能。1、栅极驱动功能提供合适的栅极驱动脉冲电压值，使集电极和发射极充分导通和截止，因此，要有开关变压器降压。2、电隔离功能电隔离功能是指实现控制电路（低压部分）与IGBT栅极（集电极和栅极击穿，栅极可能成为高压部分）的电隔离。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器，汽车上应用最多的是光电耦合器隔离。1、IGBT驱动电路功能

2、电隔离功能图4-6所示为分立元件的IGBT驱动板实物图，这是分立元件做的IGBT驱动，可用于少量生产的电动汽车，批量生产的汽车将采用汽车级、集成化很高的驱动电路，图中变压器是24V变压器，变压器将高压直流通过开关变压器降为24V，即输出+14V和-10V，图中可见六对电解电容、六对三极管和六对二极管。其中六对二极管对应给变压器的6个24V电压进行整流，一对电解电容分别对+14V和-10V滤波，一对三极管（NPN+PNP）组成图腾柱结构驱动一个IGBT的导通和截止。九根套白色管套的线，其中六根去往IGBT栅极，三根是公共地（和母线负极相连，才形成+14V和-10V）。1、IGBT驱动电路功能

2、电隔离功能

1、IGBT驱动电路功能图4-6分立元件的IGBT驱动板

1、典型驱动电压典型的IGBT栅极驱动电压为15V±10%的正栅极电压，该电压足以使IGBT完全饱和。在任何情况下+VGE不应超出（12~20V）的范围。为了保证不会因为di/dt噪声产生误开通，故-VGE采用反偏压（-5~-15V）来作为关断电压。图4-7为分立元器件构成的IGBT驱动电路。当光耦输入VG控制信号时，Q1导通，晶体管Q2截止，Q1导通输出+15V驱动电压。当输入控制信号为零时，Q1截止，Q2导通，输出-10V电压。+15V和-10V电源需靠近驱动电路，Q1负责向IGBT的栅极充电，向栅极充入正电荷，Q2负责IGBT的栅极向外充分放电。两个18V稳压管是为了正反双向稳压，防止输入的+VG超过18V。驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和发射极的引线应采用双绞线，长度最好不超过0.5m。2、栅极驱动图4-7IGBT的栅极驱动电路（图腾柱型驱动电路）

2、驱动电压对IPM中IGBT的影响表4-1提供了不同控制电压时IGBT的导通情况。2、栅极驱动

3、IGBT一般驱动方式（1）小功率的IGBT驱动。220VAC采用自举IGBT驱动,高频脉冲变压器,直流电压驱动。400VAC采用简单耦的新型自举IGBT驱动器。（2）中等功率的IGBT驱动。400VAC采用自举供电的光耦。690VAC采用隔离的脉冲变压器以及复杂的IGBT驱动系统。（3）大功率IGBT驱动。采用隔离变压器的IGBT驱动。采用Vce饱和压降进行过电流检测和管理的IGBT驱动系统，包括软关断动作，以及分别采用不同的门极电阻进行开通和关断。2、栅极驱动

4、IGBT驱动设计规则（1）采用合适的开通和关断电阻。（2）考虑过电压和反向恢复电流。（3）IGBT门极和发射极的保护措施。（4）必须进行防静电处理。（5）电路的保护措施；包括门极和发射极间的电阻（4.7~10kΩ），双向稳压二极管(16.8~17.5V)，GE间加入小电容去掉振荡，必须考虑上下管同时导通的情况，因为dV/dt太高(米勒电容会产生一个电流，而且还改变集射极的电压（考虑到门限电压值），在门极和发射极中加入负电压进行关断可以避免这个问题。（6）上下桥臂IGBT的开通和关断延迟。2、栅极驱动

IGBT栅极的电隔离如图4-8所示，DSP微控制器（MCU）电路通过反向器或三极管驱动控制发光二极管，从而控制光电二极管的反向导通和截止，向IGBT栅极驱动电路提供控制电压。3、IPM的栅极隔离

图4-8IGBT栅极的光电隔离方式

IGBT栅极的光电隔离结构是数字信号处理器驱动发光二极管，光敏管是驱动IGBT或IPM的输入部分。图4-9所示为IPM模块典型栅极隔离电路，在IPM模块外围要有相应的电子元件才能保证正确工作。图4-10所示为IPM的电动机驱动电路。3、IPM的栅极隔离

图4-9IPM模块典型栅极隔离电路

图4-10IPM的电机驱动电路

在IPM使用中高压主回路和低压回路中的一些注意。低速光耦可用于故障输出端和制动输入端。位置①散热器可能和N侧一样接地；位置②平滑电容和薄膜电容应放在IPM附近；位置③三相输出不能接电容；位置④输入端子和光耦间配线尽量短；位置⑤为了光耦稳定动作应输入加电解电容或陶瓷电容。从图4-10可看出高压和低压电路之间的信息交换全采用光隔离。3、IPM的栅极隔离

第三节

活塞连杆组故障诊断与修复

IGBT和IPM保护电路

IGBT的失效机制包括以下四点：（1）MOS绝缘栅结构在高温情况下会失去绝缘能力。（2）由于硅芯片与铝导线之间热膨胀系数的差异，在输出电流剧烈变化时，铝导线与硅芯片之间的接触面会形成热应力，从而造成裂纹，并会逐步导致铝线断裂。（3）由于处于芯片和散热铜底板间的陶瓷绝缘/导热片的热膨胀系数和散热铜底板的热膨胀系数不同，在底板温度不断变化时，连接两种材料的焊锡层会形成裂纹，从而导致散热能力下降，进而导致IGBT温度过高而失效。（4）由于振动，可能造成陶瓷片破裂，从而降低散热能力和绝缘能力。1、IGBT的失效机制

上述失效机理将是综合影响并发生的。例如：在IGBT输出大电流时，铝线会受到热应力（机理2）；同时芯片温度会上升，将热传导到底板，造成底板温度上升，从而激发机理3；当温度过高时，会直接导致机理1的发生。再加上汽车运行工况所带来的颠簸振动，导致机理4的发生。汽车级电力电子模块重点改善功率循环和温度循环（温度冲击）所引起的失效机理。IGBT的最大结温是150℃，在任何情况下都不能超过该值。1、IGBT的失效机制

1、过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其他原因，如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度（约250℃），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际运行时，一般最高允许的工作温度为130℃左右。2、超出关断安全工作区超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏。擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。2、IGBT失效原因分析

2、超出关断安全工作区IGBT为PNPN四层结构。体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dV/dt很大，引起较大位移电流，流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。2、IGBT失效原因分析

3、瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。4、过电压过电压会造成集电极、发射极间击穿。过电压也会造成栅极、发射极间击穿。2、IGBT失效原因分析

IGBT是电压控制型器件，在它的栅极—发射极间施加十几伏的直流电压，只有微安级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极—发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万皮法），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。额定值是IGBT和IPM模块运行的绝对保证，所谓最大值是器件的极值，在任何情况下都不能超过其范围。IGBT的驱动保护包括：栅极欠电压、过电流保护（包括短路保护）和过热保护。3、IGBT保护方法

1、封锁栅极电压封锁栅极电压即不再控制IGBT导通。IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过电流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过电流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。IGBT的过电流保护电路可分为两类：一是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；二是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。3、IGBT保护方法

2、过载（过电流）保护IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。3、IGBT保护方法

2、过载（过电流）保护1）过电流保护措施通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种。（1）软关断。指在过电流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过电流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与起动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。3、IGBT保护方法

2、过载（过电流）保护1）过电流保护措施（2）降栅压。指在检测到器件过电流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的di/dt。慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dV/dt和Uce的峰值。3、IGBT保护方法

2、过载（过电流）保护2）短路检测方式一般的短路检测方式是电流传感法或IGBT欠饱和保护。欠饱和法在IPM模块保护中讲解。如图4-11所示，图中六个二极管为电机斩波发电时的续流二极管，总线（直流母线）电流传感器（BusCurrentSensor），一般为霍尔式或互感器式。当过电流电流超过比较器（Comparator）设定电流时，锁存器（Latch）工作，并向栅极控制电路的停止功能（Disable）端发送关闭六个IGBT的6路正弦波信号触发（PWMSignals），使六个IGBT锁止不输出电流，直到锁存器Latch内的存储内容被Clear的信号清除。3、IGBT保护方法

2、过载（过电流）保护2）短路检测方式

3、IGBT保护方法图4-11电流传感法短路保护

图4-12所示为IPM内部功能图。如果IPM其中有一种保护电路工作，IGBT就关断并输出一个故障信号FO。4、IPM的保护方法图4-12两单元IPM内部功能图

1、控制电源欠电压锁定（UV）UV=UnderVoltage，译为欠（低）电压。如果某种原因导致控制电压符合欠电压条件，该功率器件会关断IGBT并输出故障信号。如果毛刺电压干扰时间小于规定的Td（UV）则不会出现保护动作。2、过热保护（OT）OV=OverTemperature，译为过温。在绝缘基板上安装有温度探头或测温二极管，如果超过数值IPM会截止栅极驱动，直到温度恢复正常（应避免反复动作）。3、过电流保护（OC）OC=OverCurrent，译为过电流。如果IGBT的电流超过数值，并大于时间Toff(OC),典型值为10μs，IGBT被关断。超过OC数值，但时间小于Toff(OC)的电流，并无大碍，故IPM不于处理。当检测出过电流时，IGBT会被有效地软关断。4、IPM的保护方法

4、短路保护（SC）SC=ShortCurcuit，译为短路。当发生负载短路或上下臂直通时，IPM立即关断IGBT并输出故障信号。注：过电流采样和短路采样采用同一回路。新型IPM采用了实时电流检测技术RTC（realtimecurrentcontrolcircuit）技术，使响应时间小于100ns。必须避免重复故障而导致结温升高损坏IPM。系统可通过检测TFO时间长度来确定是过电流还是短路引起（1.8ms），过热时间会长一些。过热复位一般要等基板冷却到OT限值以下，需要几十秒。4、IPM的保护方法

第四节

活塞连杆组故障诊断与修复

IGBT的使用和检修

IGBT是逆变器中最容易损坏的部分。由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般仅能承受到20～30V。因此，因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点。在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后再触摸；在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；尽量在底板良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。1、使用中的注意事项

此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10kΩ左右的电阻。1、使用中的注意事项

在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂，如图4-13所示，安装时应受力均匀，避免用力过度而损坏。一般逆变器的底部为水道，当水循环泵损坏或发动机舱前部的冷却风扇不转时将导致IGBT模块发热，而发生故障，逆变器的过热保护措施会使电机工作电流时有时无。IPM和散热器间请涂抹使用温度范围大、有良好的热传导率，且长期稳定的硅脂。为