1. Introducción 

IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), el transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo semiconductor de potencia impulsado por voltaje totalmente controlado compuesto de BJT (transistor bipolar) y MOS (transistor de efecto de campo de puerta aislada), que tiene las ventajas de alta impedancia de entrada de MOSFET y baja caída de voltaje de encendido de GTR. 

IGBTCombinando las ventajas de los dos dispositivos anteriores, la potencia de conducción es baja y el voltaje de saturación se reduce. 

Se ha convertido en la corriente principal del desarrollo de dispositivos semiconductores de potencia y se utiliza ampliamente en energía eólica, fotovoltaica, vehículos eléctricos, redes inteligentes y otras industrias. 

En la industria de vehículos eléctricos, los IGBT se utilizan ampliamente en controladores de motores, sistemas de alimentación auxiliar y aires acondicionados eléctricos. Los IGBT de alta potencia se utilizan principalmente en controladores de motores. Debido a que el entorno de trabajo de los controladores de motores en vehículos eléctricos es relativamente inestable, parámetros parásitos como la capacitancia distribuida de compuerta de los IGBT y el efecto Miller en los interruptores reales afectan directamente la fiabilidad de los circuitos de accionamiento [1]. 

Cuando el motor esté en uso, el IGBT debe estar adecuadamente protegido en condiciones de sobrecorriente, cortocircuito y sobretensión. 

La sobrecorriente provoca un aumento de la temperatura del controlador del motor, lo cual puede detectarse mediante un sensor de temperatura y protegerse con el circuito correspondiente. Generalmente, la sobretensión se produce al apagar el IGBT, y un di/dt mayor produce una mayor tensión en la inductancia parásita, que puede limitarse mediante un circuito de búfer o reduciendo adecuadamente la tasa de conmutación. 

Tras el cortocircuito, se genera instantáneamente una corriente elevada que pronto dañará el IGBT. La protección contra sobrecorriente de la placa de control principal es demasiado tardía, y el circuito de hardware debe controlar el circuito de accionamiento para protegerlo instantáneamente. 

Por lo tanto, en el proceso de diseño del controlador, si la función de protección es perfecta o no es particularmente importante para el funcionamiento seguro del sistema. 

1. IGBT Características de los módulos 

1.1 Características de conmutación 

Las características de conmutación del IGBT se muestran en la Figura 1. Cuando el módulo IGBT se apaga, VCE genera un pico de alta tensión debido a la inductancia de fuga [2], que varía con la variación de dv/dt. Dado que el tiempo de conmutación varía con la corriente del colector, la temperatura de la unión y la resistencia de compuerta (Rg), si el tiempo de conmutación se prolonga y la resistencia de compuerta aumenta, puede producirse el fenómeno de puenteo del brazo debido a un tiempo muerto insuficiente, lo que puede dañar el IGBT.  

Al mismo tiempo, la pérdida de conmutación se produce al activar o desactivar el interruptor, y esta característica varía con la temperatura de la unión y la resistencia de excitación. En particular, la selección de Rg es fundamental. Si Rg es demasiado grande, ralentizará la velocidad de conmutación del IGBT, lo que obviamente puede reducir el pico de sobretensión de conmutación, pero la pérdida de conmutación aumentará proporcionalmente, lo que incrementará la generación de calor del IGBT. Por el contrario, si Rg es demasiado pequeño, la tensión de pico puede ser demasiado alta (= Ls × dIc/dt). 

1.2 Característica de capacitancia 

Como se muestra en la Figura 2 a continuación, CGC, CGE y CCE son las capacitancias parásitas entre los electrodos IGBT, Cies es la capacitancia de entrada, Coes es la capacitancia de salida y Cres es la capacitancia de conductancia inversa [4]. 

Fig. 2 Capacitancia parásita entre electrodos IGBT 

Como se puede observar en la Figura 2, el condensador de salida equivalente Coes puede proporcionar otra ruta para el polo C del IGBT, lo que afectará la variación de la tensión del colector del IGBT. Cuando el IGBT se apaga, la corriente de carga cargará Coes. En este momento, la tasa de variación de la tensión del colector del IGBT depende de la velocidad de carga de la corriente de carga. Dado que la capacidad de Coes es muy pequeña, su influencia puede ignorarse en caso de corriente alta. Cuando la corriente de carga es pequeña, la tensión del colector del IGBT cambiará significativamente. 

El proceso de encendido y apagado del IGBT puede ser equivalente al proceso de carga y descarga de capacitancia parásita (capacitancia de salida equivalente del colector). 

La corriente del colector y la velocidad de conmutación influyen en la tasa de variación de la tensión del colector. Cuando la corriente del IGBT es baja, el dv/dt de la tensión del colector es bajo; por el contrario, cuando la corriente aumenta, el dv/dt de la tensión del colector es alto. 

En las patas superior e inferior del IGBT, al activarse una pata y desactivarse la otra, se genera una variación de voltaje dVce/dt en el IGBT y en el diodo de rueda libre de la pata desactivada. Además, se genera una corriente de carga iCG entre el colector y la puerta del IGBT de la pata, que se carga mediante los condensadores parásitos CGC y CGE. En este caso, si VGE es superior al voltaje de activación del IGBT, la pata podría atravesarse, lo que podría dañar el IGBT. 

1.3 área de operación segura 

El área de trabajo segura (SOA) refleja la capacidad de un transistor para soportar un determinado voltaje y corriente al mismo tiempo. 

El área de trabajo segura con polarización directa (FBSOA) cuando se enciende el IGBT está rodeada por tres límites: corriente, voltaje y consumo de energía. 

La corriente máxima del colector Icm se establece para evitar el bloqueo dinámico, el voltaje máximo del colector-emisor Ucem está determinado por el voltaje de ruptura de los transistores en IGBT y el consumo máximo de energía está determinado por la temperatura de unión máxima permitida. 

Cuanto mayor sea el tiempo de conducción, más grave será la fiebre y más estrecha será la zona de trabajo segura. 

El área de operación segura de polarización inversa (RBSOA) de un IGBT varía con el dVCE/dt cuando el IGBT está apagado. Cuanto mayor sea el dVCE/dt, más estrecha será la RBSOA.  

2. Conducción del módulo IGBT para vehículo 

2.1 Influencia de la resistencia de la red 

El módulo IGBT es un dispositivo de puerta aislada. El emisor-puerta (o fuente-puerta) del IGBT tiene una estructura capacitiva, y la inductancia parásita del circuito de puerta es inevitable. Si no hay resistencia de puerta, el circuito de puerta oscilará fuertemente bajo la excitación del pulso de excitación del controlador, por lo que es necesario conectar una resistencia en serie para atenuarla rápidamente. 

El proceso de encendido y apagado de los IGBT consiste principalmente en cargar y descargar la capacitancia o inductancia parásita, componentes reactivos. Si no hay resistencia de compuerta, la mayor parte de la potencia de accionamiento se consumirá en el tubo de salida del controlador, lo que provocará un aumento considerable de su temperatura. Al mismo tiempo, la resistencia de compuerta también puede ajustar la velocidad de encendido y apagado del dispositivo de conmutación. Sin embargo, una velocidad de accionamiento demasiado rápida aumentará considerablemente la tasa de variación de voltaje y corriente del dispositivo de conmutación, lo que incrementará la sobretensión y la corriente soportadas por los IGBT. En el entorno real del vehículo, se recomienda utilizar una resistencia no inductiva. Si se trata de una resistencia común, se puede sustituir por varias resistencias en paralelo. Por un lado, se puede reducir la inductancia de bucle y su influencia en la forma de onda de la tensión de accionamiento; por otro, varias resistencias pueden compartir la corriente de accionamiento, lo que favorece la difusión térmica. Si una sola resistencia se daña, el sistema se dañará. 

Al activar el IGBT, la señal de interferencia destruye la señal de compuerta, lo que genera una sobretensión de recuperación inversa elevada. Al generar un pulso de bloqueo muy corto en relación con la VGE del IGBT, el diodo de rueda libre del lado de la rama se activa y entra en estado de recuperación inversa en un tiempo muy breve. Durante el proceso de recuperación inversa, solo entra en estado de recuperación inversa después de acumular portadores por completo. En este momento, si hay un pulso de interferencia estrecho, el diodo de rueda libre rápido entra en estado de recuperación inversa antes de acumular portadores por completo, y la capa de agotamiento se expande rápidamente, lo que genera fuertes DI/DT y DV/DT. Durante la recuperación inversa de un pulso estrecho, se genera una sobretensión de recuperación inversa elevada entre la GE del IGBT. En este momento, la sobretensión se puede reducir aumentando la resistencia de entrada de compuerta RG, reduciendo la inductancia del circuito de entrada, reforzando el circuito de búfer y añadiendo un circuito de fijación.  

2.2 Circuito de accionamiento de puerta 

A medida que las características de conmutación y el área de trabajo segura del IGBT cambian con el cambio del circuito de accionamiento de la compuerta, el rendimiento del circuito de accionamiento afectará directamente el funcionamiento normal del IGBT. 

为使 IGBT 能可靠工作. 

El circuito de accionamiento debe proporcionar un voltaje de compuerta directa adecuado al IGBT. 

Después de encender el IGBT. 

La tensión y la corriente de conducción proporcionadas por el circuito de conducción al IGBT deben tener suficiente amplitud para mantener la etapa de salida de potencia del IGBT en saturación. 

Cuando el módulo se sobrecarga instantáneamente, la potencia de accionamiento proporcionada por el circuito de accionamiento de la compuerta debe ser suficiente para garantizar que el IGBT no salga de la región de saturación. 

La caída de tensión del IGBT tras la conducción está relacionada con la tensión VGE aplicada. Cuando la corriente del ICE es constante, cuanto mayor sea la VGE, menor será el valor de VCE y menor la pérdida de conducción del dispositivo, lo que favorece el máximo rendimiento del transistor. 

Sin embargo, el VGE no es tan alto como se puede. Generalmente, no se permite superar los 20 V, ya que, al producirse una sobrecorriente o un cortocircuito, cuanto mayor sea el voltaje de compuerta, mayor será la amplitud de la corriente y mayor la posibilidad de dañar el IGBT. 

Generalmente, +15 V es apropiado para una consideración integral. 

El voltaje límite de la compuerta del IGBT es generalmente +20 V, y si la señal de activación excede este rango, la compuerta puede dañarse. 

Por lo tanto, debe haber un circuito limitador de voltaje entre el circuito de accionamiento y la puerta para proteger la puerta contra fallas cuando el voltaje de la puerta es demasiado alto. 

El controlador del motor del vehículo eléctrico se acciona mediante un puente completo trifásico, y se necesitan seis grupos de IGBT para que el brazo del puente trifásico funcione en modo PWM. Cada módulo IGBT requiere una fuente de alimentación aislada de los demás módulos. 

Para mejorar la integración y reducir el costo, los chips de control PWM como el SG3525 se utilizan a menudo para emitir señales PWM de doble canal, accionar transformadores de pulso y generar fuentes de alimentación de doble canal. Como se muestra en la Figura 3, U3 en la figura es SG3525, un chip de control PWM monolítico integrado con excelente rendimiento, funciones completas y gran versatilidad, que genera dos señales PWM con relaciones de trabajo complementarias. Es simple, confiable, conveniente y flexible de usar, y la unidad de salida es push-pull, lo que aumenta la capacidad de conducción. Contiene un circuito interno de bloqueo por subtensión, un circuito de control de arranque suave y un pestillo PWM. Tiene función de protección contra sobrecorriente, frecuencia ajustable y puede limitar el ciclo de trabajo máximo. Para lograr el aislamiento de voltaje, el control PWM funciona en un estado de bucle abierto. Ajuste la relación de vueltas del transformador de pulso TR20, de modo que el voltaje de salida de su devanado superior sea rectificado por un puente rectificador que consta de D20, D21, D22 y D23, y los +18 V pasen a través de un regulador de voltaje ajustable U20. 

图3 Fuente de alimentación de conducción de red 

Al apagar el IGBT, dado que otras partes del circuito siguen funcionando, se generarán señales de oscilación de alta frecuencia en el circuito de compuerta. Si estas señales son bajas, el IGBT que debería apagarse estará en un estado de micropaso, lo que aumentará el consumo de energía del tubo. 

El circuito de suministro de energía volverá a estar en estado de cortocircuito. 

Por lo tanto, el circuito de accionamiento debe ser capaz de proporcionar suficiente voltaje de compuerta inversa al IGBT durante el apagado del IGBT. 

Ajuste la relación de vueltas del transformador de pulso TR20, de modo que el voltaje de salida de su devanado inferior sea rectificado por el puente rectificador que consta de D24, D25, D26 y D27, y el voltaje de -10 V aplique el voltaje de compuerta inversa al IGBT en el estado apagado, lo que garantiza que el IGBT aún se pueda apagar de manera confiable cuando la compuerta tiene ruido de conmutación. 

2.3 Aislamiento y protección de la puerta de entrada. 

En vehículos grandes, como los autobuses eléctricos, la potencia de salida del controlador del motor es elevada, al igual que la corriente de conducción requerida. Al acelerar o frenar rápidamente el vehículo, la corriente de impulso instantánea puede alcanzar varios cientos de amperios. A menudo se conectan dos módulos IGBT en paralelo o se utiliza un IGBT de alta potencia para aumentar la potencia de salida, como se muestra en la Figura 4. 

En la figura, las señales de entrada PWM1A y PWM1B se utilizan para controlar los brazos superior e inferior de los módulos IGBT U1 y U2, respectivamente. Los brazos superiores de los módulos IGBT U1 y U2 se conectan a la salida del circuito tótem de PWM1A, y los brazos inferiores de los módulos IGBT U1 y U2 se conectan a la salida del circuito tótem de PWM1B. Cuando se introduce la señal frontal PWM1A, los dos brazos superiores se activan y los inferiores se desactivan simultáneamente; de ​​lo contrario, los brazos inferiores se activan y los superiores se desactivan simultáneamente. 

Se conectan dos módulos IGBT en paralelo, lo que aumenta la corriente de salida y la potencia de los módulos IGBT. 

En el proceso de trabajo, para evitar que la acumulación de carga de compuerta y los picos de voltaje de compuerta-fuente dañen el IGBT, se pueden configurar algunos elementos de protección entre G y E, como se muestra en la Figura 5. 

Las resistencias R112, R212, R122 y R222 se utilizan para descargar la carga acumulada en la compuerta [5]. Dos diodos Zener D111, D112, D211, D212, D121, D122, D221 y D222 se conectan en serie para evitar que el pico de tensión entre la compuerta y la fuente dañe el IGBT. 

DEC1 y DEC2 en la figura son las señales de detección de fallas del módulo de control M57962L al IGBT. Tras pasar por diodos y resistencias, DEC1 se conecta al terminal C del IGBT y DEC2 al terminal E. 

Figura 4 Circuito de salida IGBT en paralelo 

Figura 5 Circuito de conducción aislado M57962L 

Debido al alto voltaje de la batería del vehículo eléctrico, el IGBT funciona en una situación de alto voltaje y alta corriente. 

Se requiere suficiente capacidad de aislamiento eléctrico de entrada y salida. 

El circuito de control debe estar estrictamente aislado de todo el circuito de control en potencial. El circuito de control IGBT especial Mitsubishi M57962L está aislado eléctricamente mediante acoplamiento fotoeléctrico rápido. Este circuito de película gruesa presenta un retardo de transmisión de señal corto, con un retardo de salto de señal inferior a 1.5 µs, y su frecuencia máxima de trabajo es de 20 kHz. Adopta tecnología de control de doble alimentación, y la fuente de alimentación utiliza doble voltaje de +15 V/-10 V, lo que permite un voltaje de puerta negativo de salida relativamente alto [6]. 

Como se muestra en la Figura 5, cada brazo de puente IGBT adopta dos M57962L, en el que U1 controla el IGBT del brazo superior del puente y U2 controla el IGBT del brazo inferior del puente. DEC1 y DEC2 son la detección de la señal de falla del IGBT en la Figura 4. Cuando se detecta una falla, M57962L apagará el IGBT por un lado, y por otro lado, la señal de falla emitida por el pin 8 de M57962L será aislada por los optoacopladores PC10 y PC20 y realimentada a la CPU; Además, se adopta un circuito de enclavamiento de hardware en el terminal de entrada PWM de M57962L. Cuando la señal de entrada de un medio puente está en un nivel alto, la señal de entrada del otro medio puente se reduce al mismo tiempo, para evitar que ambas luces de conducción se enciendan debido a la señal de entrada anormal. 

Asegúrese de que el circuito pueda funcionar de forma segura y confiable. 

3. Protección de IGBT para el controlador del motor del vehículo

3.1 Protección contra sobretensiones y sobretensiones del IGBT para el controlador del motor del vehículo 

Cuando el controlador del motor del vehículo eléctrico está en uso, debido al frenado por aceleración frecuente, cuando el vehículo eléctrico realiza un frenado por retroalimentación, el motor cambia a un estado de generación de energía y la energía alimentada al bus de CC es relativamente grande. 

En este momento, la tensión en el bus de CC del vehículo eléctrico se superpone a la tensión de retroalimentación generada durante el frenado de retroalimentación, además de la parte proporcionada por la batería. Tras la prueba, cuando la tensión del bus de CC es de 538 V, la tensión de pico máxima supera los 800 V. Simultáneamente, la di/dt del colector también generará una sobretensión de alta amplitud en la inductancia distribuida del circuito principal durante la desconexión del IGBT y la recuperación inversa del diodo de rueda libre conectado a él. 

La sobretensión en estado estacionario es detectada por el circuito de hardware correspondiente, protegido por la CPU de control principal. En caso de sobretensión transitoria pulsante de CC, el condensador del enlace de CC absorbe la tensión y la red de absorción RC o RCD interna amortigua y protege el circuito principal de IGBT. 

El DC-Link presenta baja ESL, alta sobretensión (la tensión máxima es de 1200 V) y alta corriente de rizado. El IGBT funciona en modo PWM, por lo que el sistema debe proporcionar una corriente de rizado considerable. El DC-Link puede proporcionar una corriente de rizado con un valor efectivo superior a 40 A. 

Y no se ve afectado por la sobretensión generada durante la conmutación, para garantizar que la fluctuación de voltaje en el bus de CC se mantenga dentro del rango permitido. Y no se ve afectado por la sobretensión generada durante la conmutación, para garantizar que la fluctuación de voltaje en el bus de CC permanece dentro del rango permitido.  

3.2 Aplicación de IGBT en el controlador de motor de vehículo 

En el entorno de aplicación práctica de vehículos eléctricos, debido a la alta potencia del motor, la corriente transitoria de sobretensión del IGBT puede superar los 700 A. Utilizamos dos IGBT 2MBI450VN-120-50 de Fuji Company para la salida en paralelo (los parámetros característicos de este IGBT se muestran en la Tabla 1), de modo que la corriente de salida del IGBT en paralelo puede alcanzar aproximadamente 900 A, lo que cumple con los requisitos de la corriente del vehículo. Los parámetros eléctricos característicos del 2MBI450VN se muestran en la Tabla 1. 

Para evitar la interferencia de capacitancia distribuida parásita en el circuito de control de la compuerta IGBT, soldamos directamente la placa del circuito de control a los pines de entrada de dos módulos IGBT y conectamos la capacitancia deoscilante y el circuito limitador bidireccional en paralelo a los terminales de entrada de la compuerta. Si el IGBT se ve sometido a una corriente de cortocircuito, puede protegerse eficazmente si se apaga a tiempo. 

Una de las formas de identificar si un IGBT tiene sobrecorriente es detectar la caída de tensión VCE de su tubo. 

Cuando se enciende el IGBT, si VCE es demasiado alto, se producirá un cortocircuito y el IGBT deberá apagarse inmediatamente. 

Cuando el IGBT se apaga por sobrecorriente, debido a la gran amplitud de corriente en el IGBT, si el IGBT se apaga rápidamente, el Ldi/dt será demasiado alto y se generará un voltaje pico alto en ambos extremos del IGBT, lo que dañará fácilmente el IGBT, por lo que se produce el método de "apagado lento suave". 

El circuito de accionamiento M57962L está diseñado de acuerdo con la teoría anterior. 

Cuando el IGBT se sobrecarga o se cortocircuita, su potencial de colector aumenta y la corriente que fluye hacia el circuito de detección a través del diodo externo aumenta. El circuito de desactivación de puerta corta la señal de activación de puerta del IGBT y, simultáneamente, se emite una señal de indicación de sobrecarga/cortocircuito de bajo nivel en el pin "8". 

La figura 7 muestra las formas de onda de voltaje y corriente al encender y apagar el IGBT. Se puede observar que, al aumentar el voltaje de compuerta, la corriente en el polo C aumenta, mientras que el voltaje VCE disminuye. Al apagar el IGBT, el voltaje de compuerta es negativo, la corriente en el polo C disminuye y el voltaje VCE se eleva hasta alcanzar el voltaje de la fuente de alimentación. 

Figura 7 Diagrama de forma de onda de voltaje y corriente de apagado de IGBT 

4. Conclusión 

Basado en la aplicación práctica, este documento expone la idea de diseño del circuito de accionamiento del módulo IGBT del controlador del motor del vehículo eléctrico, resume las características del módulo IGBT, el diseño y la protección del circuito de accionamiento de la compuerta, los problemas y métodos de protección de corriente, voltaje y temperatura del módulo IGBT en funcionamiento normal, y proporciona el principio de diseño correspondiente y el esquema de verificación. 

La verificación real demuestra que este circuito es confiable, práctico, seguro y puede usarse ampliamente en el diseño de controladores de motores de varios vehículos eléctricos a gran escala, y tiene una gran perspectiva de aplicación. 

[referencias] 

[1] Wang Yingli, Du Ming, et al. extraen parámetros parásitos de los cables de unión en módulos IGBT [J] Chemical Automation and Instrument 2014, 41 (4) 419-422 

[2] Código para el diseño del controlador de compuerta IGBT [N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3] Manual de aplicación del módulo IGBT de Fuji Electric Co., Ltd. [M]. 2011 09 

[4] Hu Man-hong, Influencia de Wang Ya-qiong de la capacitancia parásita en la tasa de cambio del voltaje del colector en el proceso de conmutación de IGBT [N] Journal of Xinxiang Normal College 2007.9 45-47 

[5] Zhang Jun, Bian Qing, Diseño de circuito de accionamiento de inversor basado en IGBT [J] Tecnología de automatización y aplicación 2011.30.3 103 -105 

[6] Jiang Wenqu Changmeng Un circuito de película gruesa IGBT M57962L [J] En línea http://www.paper.eud.cn 

[7] Tecnología de conducción y protección de IGBT para el controlador del motor del vehículo eléctrico Sunny Yangjiangming [N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html