具有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与研究

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分析，基于英飞凌汽车级IGBT Hybridpack 2 及汽车级驱动芯片1ED020I12FA 设计具体驱动电路，给出相关的测试结论和实验数据，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。

引言

随着混合动力汽车及电动汽车的日益普及，其驱动系统正在向高电压、大功率方向发展，更大电流更高电压的IGBT 模块开始得到应用。在电机控制器系统设计中，驱动电路设计对系统的稳定性可靠性发挥着至关重要的作用。

（1）抑制关断电压尖峰的必要性

为了让电动汽车和混合动力汽车具有更大的最高时速和加速度，需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。

图1：IGBT 关断时产生的电压尖峰

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。

（2）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=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有如下几种：

a）增加关断电阻阻值。

增加关断电阻阻值会减小关断 IGBT 的电流变化率，从而达到降低关断电压尖峰的作用。但是这种方法的缺点是，同时增加了 IGBT 的关断损耗，也就降低了 IGBT 的承受电流能力。在电动汽车应用中，为了充分发挥系统的能力，这种方法是不可取的。

b）两级关断技术TLTO（two level turn off）

TLTO 是在IGBT 关断时驱动电压不直接转为负电压，而是在大约 7V 左右维持一段时间再转为负电压，具体原理见图2。英飞凌汽车级驱动芯片1ED020I12FTA 即采用了该项技术。

图2：1ED020I12FTA 退饱和关断时序图

c）有源电压箝位（Active Voltage Clamping）

有源电压箝位的原理是：当集电极电位过高时，TVS 被击穿，有电流流进门极，门极电位得以抬升，从而使关断电流不要过于陡峭，进而减小尖峰。基本的有源电压箝位电路和波形如图3 和图4。与前两种方法相比，有源电压箝位配置简单，工作点可以通过TVS 管调节，经过优化还可以方便的改变关断时的箝位波形。尤其在系统发生短路保护关断 IGBT 时，该方法尤其有效，后面会详细说明。由于具有负反馈闭环工作特性，优于调整门极电阻和 TLTO 的开环控制。

图3：有源电压箝位基本电路

图4：有源电压箝位波形示意

有源电压箝位方案

前文介绍的基本有源电压箝位电路，工作时有个较大的缺点：关断IGBT 时推挽输出 的下管是导通状态。在TVS 因电压尖峰过高而击穿时，一部分能量回到 IGBT 门极用于减小di/dt，而另一部分能量通过门极电阻 Rg 和推挽输出的下管回到电源负极。这部分能量没有起到减小di/dt 作用，又增加了TVS 管的损耗（如图5）。对于电动汽车采用的650V 耐压的IGBT 模块如Hybridpack 2，这时TVS 工作在数百伏电压下，因此损耗很大。

图5：基本有源电压箝位电流方向

为了克服上述缺点，一种改进型的有源电压箝位电路被提出。该电路在推挽输出前 级和门极各放置一个回路，通过调节两个回路的电阻阻值来控制击穿 TVS 后的电流。向走向推挽输出前级的回路可以放大门极电流增强减小 di/dt 效果。同时为了防止所有能量涌入前级造成震荡甚至IGBT 误开通，另一直接通向门极的回路泄放另一部分电流。如图6。

图6： 优化的有源电压箝位电路

基于1ED020I12FA 的门极驱动电路

采用英飞凌汽车级IGBT 模块HybridPACK2，汽车级驱动芯片1ED020I12FA 设计基本有源电压箝位电路，如图7。

其中VP 和VN 是驱动IGBT 工作的正负电源，分别为+16V 和-8V。COL 接IGBT 集电

极，G 接IGBT 门极，GND 接IGBT 发射极。D3 即TVS 管采用P6SMB510A，可耐受峰值功率600W，额定功率5W。D4 采用反向回复时间只有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

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。

图7：基于1ED020I12FA 的有源电压箝位驱动电路

测试数据

使用前文所述的1ED020I12FA 驱动电路和HybridPACK2 模块进行短路测试，IGBT 寄生电感14nH，母线排及电容内部寄生电感15nH。检验有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C4 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（blocking voltage）。

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。

图8： HybridPACK2 有源电压箝位实测结果

不足与改进

（1）该设计采用获得AEC Q100 认证的驱动IC 和IGBT，以及大部分通过的AEC Q200 认证

的汽车级器件，但是ES1D 和P6SMB510A 以及MURA160T3G 并未获得AEC 认证，在未来设计中将会选用通过AEC Q200 的器件。

（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。

结论

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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