具有有源電壓鉗位功能的電動汽車IGBT驅動電路設計與研究

摘要：由于電動汽車及混合動力機車的電池工作電壓范圍較大，在剎車能量回收、發電機發電、短路保護等工況下，防止IGBT產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用，本文對幾種有源電壓鉗位的具體方式和效果進行了分析，并提出在有源電壓鉗位在電動汽車IGBT驅動應用中的優化建議。

關鍵詞：有源電壓鉗位；電動汽車；門極驅動電路；IGBT短路保護；電壓尖峰抑制

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.015

要采用更大功率的電機和更大功率的IGBT模塊。在同樣功率情況下，母線電壓越高，系統的額定電流越小，系統的損耗也越低，同時還可以減小導線截面積，從而減輕車重。因此，在系統承受的范圍內采用較高的母線電壓成為電動汽車開發的方向。

此外，在剎車能量回收、發電機發電工作等工況下，系統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，系統往往工作在允許的最高電壓狀態。然而IGBT關斷時產生的Vce電壓尖峰疊加在上述較高的母線電壓上（見圖1)，有超過IGBT耐壓值導致IGBT過壓失效的風險。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勢

IGBT關斷電壓尖峰是由系統寄生電感和關斷電流變化率決定的，計算公式如下：

Vs=Ls * di/dt

Ls表示系統寄生電感，di/dt表示關斷時流過IGBT的電流變化率，在系統設計方面通常采用疊層母排技術盡量減小寄生電感，增加并聯在母線上的吸收電容等方式減小關斷尖峰。在驅動電路方面抑制電壓尖峰的方式也

復時間只有15ns，反向電壓為200V的ES1D。為了凸顯有源電壓箝位電路的抑制電壓尖峰能力，關斷電阻選用了數據手冊中的標稱值0.8歐姆，實際電路考慮其他綜合因素該值會更大一些，如2.2歐姆左右。源電壓箝位的保護效果，如圖8a和8b。紫色C3為門極電壓波形Vge，綠色線C4為集電極電流波形Ic，藍色線C2為電壓波形Vce。

圖8a是不使用有源電壓箝位功能時的短路測試。由測試結果可見，母線在275V左右發生短路，關斷電壓尖峰為626V，已經接近HybridPACK2的650V耐壓限值（blocking voltage)。

圖8b是加上基本有源電壓箝位電路后進行的短路測試。由測試結果可見，即使母線達到400V，短路電流比在275V下大45%，關斷電壓尖峰值僅為604V。可見到Vce被抑制成一個平臺，同時門極電壓Vge在5V形成一個電壓平臺，有效抑制了di/dt。

2)該設計僅使用基本有源電壓箝位電路，無法適應更多變更復雜更高工作電壓的環境，下一步會設計功能更加完善的有源電壓箝位電路，不僅限于前文介紹的優化方法。還會考慮采用在泄放回路上串聯電容的方法來控制能量的分配，以及應用更大功率IGBT時并聯推挽輸出級的泄放回路分配。

有源電壓箝位作為一種負反饋閉環電路，在電動汽車及混合動力汽車的IGBT驅動電路中是非常必要的，拓展了可工作的母線電壓、剎車能量回收、弱磁調速等高電壓工況和短路保護等極限工況的可靠性提供了保障。多種優化的有源電壓箝位電路進一步為系統設計的靈活性、平衡性提供了有效的支持。