電力電子器件IGBT在新能源汽車中的選用與保護

王東旭，趙雅蕓，馬繼晶

（酒泉職業技術學院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

當代社會的發展給自然環境帶來了嚴峻的挑戰，能源危機、環境污染和氣候變化越來越被全世界的人們所關注著。二氧化碳排放量持續增長的中國也特別地關注再生能源的發掘，自從我國在二十一世紀初制定了相關能源的法律，首先產生顯著變化的是汽車領域，我國是世界上率先進行大規模新能源汽車推行工作的發展中國家，由于我們的先發優勢、勞動力充足的優勢以及市場規模龐大等優勢，我國的新能源汽車具備較大競爭力的。于此同時，采取新能源的發電技術越來越多，在推動了電力電子技術的發展與運用的同時，也促成了電力電子器件的龐大市場。

伴隨著電力電子技術的發展，越來越多的新型電力半導體設施不斷涌現，并不斷改革進步，該技術分為傳統電力電子技術和現代電力電子技術。本文研究的重點是IGBT這種絕緣柵雙極型晶體管，IGBT是在二十世紀九十年代初期開始使用的新興復合功率開關器件，它是全控性自關斷器件，它在新能源汽車領域的使用與保護使得電力電子器件的發展進入新階段，同時給新能源帶來了新的發展機遇。

1 電力電子器件分類

1.1 根據器件被控程度分類

依據器件可以操控的程度，將其分成三種類型。

第一種為可控性器件。此類器件通常為兩端器件，一端是陽極，另一端則是負極。它和電子線路里的二極管有一個相同點——單邊導電的性質。此類器件的電源開關的實際操作只是通過它在主電源電路里增加給陽陰兩端的工作電壓及其根據它的電流量決定的，將它接入的是正向性的工作電壓，將其關掉的是負向性的工作電壓，需要留意的是，其工作的電流方向是單向性的。不可控性器件在操縱電流量的接入與關閉時，是不可以根據操縱數據信號來實現操作的，這類元器件的典型性意味著便是輸出功率二極管。

第二種是半控性器件。此類器件一般歸屬于三端器件，它一樣具備單邊導電性，但它與前一種元器件的差別是：器件除開陽、陰兩端以外，還附加了一個控制門極。它在運作時除開必須在陽、陰兩端之間增加正方向性的電壓，與此同時還務必在控制門極與陰極之間增加正方向性的工作電壓。控制門極和陰極之間的電壓只有把控它接入的情況下，而不可以把控它的關閉，決定器件關閉的是它在主電源電路中增加的工作電壓和電流量。這類器件的典型是晶閘管與它絕大多數的派生器件。

第三種是全控性器件。它和第二種器件有一個相似點，都是有控制端的三端器件，其可以控制它的連接與關閉。這種類型的器件就有很多，比如功率場效應晶體管(功率MOSFET)、門極關斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等。現階段最常被用到的是功率MOSFET和IGBT。

1.2 根據控制信號的性質分類

根據控制信號所屬的性質分類，可以分為兩種類型：電壓驅動型器件與電流驅動型器件。

第一種通過增加在控制端與公共端之間的電壓來達到對器件開關操縱的效果，此類器件還被稱作電壓控制型器件。

第二種的控制驅動信號也是加進器件控制端與公共端兩者之間，其運用從控制端引入或抽出電流以實現器件接入或關閉的目的，此類器件還被稱作電流量操縱型器件。

1.3 根據參與導電情況分類

依據器件內部的電子和空穴這二個載流子參加導電的狀況來歸類，能夠分成三種。

第一種被稱作單極型器件，其只有一種載流子參加導電；第二種被稱作雙極型器件，它由兩類載流子參加導電的器件；第三種被稱作復合型器件，這類器件是由前兩者混和構成的。

在以上分類中，典型的電力電子器件見表1。

表1 典型電力電子器件基礎信息

2 器件耐壓選擇

在一些功率較大的開關電路設施中，IGBT有著驅動電路操縱方式簡單、應用頻率高及其容積稍大的優勢，它已經逐漸替代了可關斷晶閘管的應用。在開展實際應用的情況下，必須將器件在哪一種靜態、動態性或是負載短路故障的運作情況列入考慮范圍，而且適當的挑選主要參數。相關IGBT電路及符號圖片如所示1所顯示。

圖1 IGBT等效電路和圖形符號

通常來講，新能源汽車的蓄電池組電壓為300伏特，在給汽車的蓄電池組充電時，它的最大電壓可以超過360V，然而在再生充電的過程中，蓄電池的電壓在很大幾率上會增到到390V以上。所以在選擇額定電壓的時候，主要納入考慮的是充電結束后的電壓值以及蓄電池允許的最大電壓值。因此，電力電子器件的額定電壓通常選用600V的。器件的額定電流主要由電機的輸出功率和器件并聯數目決定。

大部分IGBT在單相或三相整流后的母線電壓下工作，母線電壓是直流電。需要考慮過載、電網波動及開關引起的電壓最高值。通常會選擇IGBT的耐壓值是母線電壓的兩倍。倘若在應用時，其結構、布線以及吸收等設計過程比較順暢，那么使用耐壓性低的IGBT是可以適應母線電壓的。其耐壓選擇就是:單相交流小于或等于230VAC，整流直流電源為350伏特，器件耐壓600伏特；三相交流為380至460VAC，整流直流電源600伏特，其最高可達900伏特，選擇器件耐壓為1200伏特。

當下，IGBT最大容量的分立元是3300V/1200A，其工作頻率為20千赫茲。IGBT集成模塊的兩個單元部分的最大容量是600V／600A，六單元的最大容量是600V／200A。

3 IGBT在新能源汽車中的選用

3.1 IGBT柵極與發射極電壓的確定

如果所加驅動電壓不夠滿足需要，那么IGBT是不能正常平穩的運行的；如果所加驅動電壓偏高，遠遠大于UGE之間的耐壓值，那么就會給IGBT帶來永久性的損害。因此在選用驅動維護電路的時候，務必斟酌電壓的范圍。

因為IGBT輸入電容CIES比MOSFET較大（CIES=CCG+CGE，意為在C-E發生電路短路的狀態下，CCG和CGE的并聯值），所以在電子器件未接通的時候，需施加負偏壓，這個偏壓的數值在-5到-10伏特為最佳；而在開通的時候，器件的驅動電壓為15V到16.5V或者13.5V到15V位最佳電壓數值。是由于器件的驅動電壓為15伏特時能使IGBT處于飽和的工作狀態，而且這個時候的通態壓降也是不高的，同時還能對操縱短路電流和因其產生的應力起到限制。若器件的驅動電壓值小于12伏特，那對器件的通態傷害是很大的，還容易造成IGBT變成電壓驅動不足的情況；若UGE的數值大于20 V，對電路的短路保護以及過電流都難實現預期的效果，會讓IGBT的可靠運行受到影響。當靠近IGBT的G- E之間增加雙16伏特至18 伏特的穩壓管，可以確保IGBT的UGE驅動電壓是可靠的，如下圖2中所示。

3.2 IGBT柵極與發射極并接電阻R1

在IGBT柵極與發射極呈現開路時，在IGBT的集電極和發射極兩端之間增加電壓，由于此器件是MOS柵器件，有著特征電容CRES反轉電容的情況存在，即CRES=CGC，隨著集電極電位的變化，會出現柵極電位上升的情況，進而使得IGB的dU/dt被開通，而C- E之間有電流經過。若集電極和發射極都處在高壓的狀態，那么就很有可能使 IGBT發熱甚至產生損害。為了規避這種現象的產生，就應在G- E之間并聯一個幾十千歐的電阻R1，如上圖2。這個電阻安裝的位置應該盡可能的離柵極和發射極近一點。

圖2 IGBT柵極驅動保護電路圖

3.3 柵極驅動電阻R的選擇

制作IGBT驅動電路時，選擇合適的柵極驅動電阻是相當重要的。電阻R與IGBT的動態特征有著很緊密的聯系，是因為IGBT的接通與關閉是通過柵極電路的充電和放電實現的，因此。存在差異的柵極電阻是能讓輸入電容的充、放電時間產生變化的，運用電阻R來使IGBT的關閉速度發生變化，進而對它的動態性能產生影響。

電阻R的數值越小，柵電容充、放電所消耗的時間就會縮短，它開關的速度也會比較快，那么相對應的開關所帶來的消耗就很低了。但若是出現了電路短路的現象，增加在反轉電容上的du/dt能使柵極電路有電流通過，如果通過的電流夠大時，會在柵極電阻上產生一定的電壓，會導致IGBT錯誤接通的嚴重后果，或是在柵極驅動的電路上發生振蕩，同時導致器件發生損害。如果電阻R比較小，在一定情況下會造成IGBT接通di/dt變大的問題，致使du/dt較高。使得續流二極管處在恢復階段的電壓上升。反之電阻R若是較大，就會導致IGBT接通與關閉的速度，從而使開關的耗能變多，因此在選用電阻R的時是需要折中思考的。

有關電阻R的選用，第一步是需要靠IGBT柵極驅動電阻的推薦數值來選擇運用，在一般情況下，需要通過器件的額定電壓來確定具體的型號，進一步決定電阻R的選用區間，在選用的過程中，電阻R能夠在大于其范圍值的一到十倍以內調整，這樣可以減少振蕩。器件處于低頻使用的狀態時，它的開關損害不能夠成為一個關鍵思考問題，可以選擇在合適的程度上提高電阻R的數值以此來降低瞬間產生的電壓值，降低發生損害的可能性。

3.4 柵極驅動布線

在柵極驅動電路中實施恰當的布局，這對降低噪聲損害、預防潛在的干擾以及降低驅動電路保護的動作次數有著緊密的聯系，所以在驅動電路布線的時候應該思考以下四個方面。

在設計驅動電路的連線時需要盡可能的使用短線。因為最優辦法是把驅動電路與吸收電路裝置在相同的PCB板上，再裝置上IGBT器件。

若是裝置在相同的一個PCB板上無法實現的話，那么為了預防主電路、驅動電路以及控制電路的互相影響，在一般情況下，驅動的連線使用的是大于或等于2r/cm的雙絞線，同時被放置適合的柵極驅動電路板或者屏蔽驅動電路。

由于寄生電容的存在耦合du/dt會出現一些干擾，為了防止高端和低端回路的發生，在進行布線的時候需要盡可能的降低寄生電容的數值。

使用使用光耦隔離控制與高頻驅動信號的時候，應選擇共模抑制比大于10kV/μs的高速光耦。如上圖2中V1、V2為驅動功率推挽擴大，通過高速光耦隔離后的信號通過V1、V2推挽擴大。

3.5 IGBT器件防靜電

IGBT器件是功率MOSFET與PNP雙極晶體管的結合體，所以對靜電壓有著極其敏感的反應，特別是對柵極為MOS結構的。如果有用手觸碰IGBT器件的必要，那么在觸碰之前，應把人體的靜電進行放電以后，再進行相關觸碰工作，特別是在觸碰器件的驅動端子部分。除此之外還需要注意，由IGBT器件組成的電源設施必須擁有穩當的接地辦法。

同時，應注意環境濕度會對積累靜電和靜電的消除有影響。濕度處在低水平時，靜電就處于較高水平；反之，濕度處在較高水平時，靜電就是較低水平。因此，為了優化材料的電導率，涂上防靜電涂料是一個很好的辦法，這對靜電荷的散放有著很好效果，能夠快速地除去材料表面附著的靜電荷。如果屬于靜電敏感型的電力電子器件就不應該在使用時間之前拿出原封裝，并且要注意進行正確地操作，盡量做到不觸碰到靜電敏感型器件管腿。

4 結論

綜上所述，隨著電力電子器件的運用和發展，特別是IGBT在各種不同領域的接合與使用，這都給器件的發展帶來新的機會與挑戰。在選擇使用IGBT時，不僅要考慮它的類型與特點是否適合運用在某種條件下，還需要考慮它的耐壓性等因素。在實際運用時，還應該實施相應的保護措施，以確保IGBT器件在使用時發揮它的效果并保護它不被損壞，能夠正常的運行。IGBT器件與其他領域的配合使用還有待發掘與完善，進而提高電力電子器件的使用效率。