1. Introduction 

IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) Le transistor bipolaire à grille isolée est un dispositif semi-conducteur de puissance composite entièrement contrôlé en tension composé de BJT (transistor bipolaire) et de MOS (transistor à effet de champ à grille isolée), qui présente les avantages d'une impédance d'entrée élevée du MOSFET et d'une faible chute de tension à l'état passant du GTR. 

IGBTCombinant les avantages des deux dispositifs ci-dessus, la puissance d'entraînement est faible et la tension de saturation est réduite. 

Il est devenu le courant dominant du développement de dispositifs à semi-conducteurs de puissance et est largement utilisé dans l'énergie éolienne, le photovoltaïque, les véhicules électriques, les réseaux intelligents et d'autres industries. 

Dans l'industrie des véhicules électriques, les IGBT sont largement utilisés dans les contrôleurs de moteurs, les systèmes d'alimentation auxiliaires et les climatiseurs électriques. Les IGBT haute puissance sont principalement utilisés dans les contrôleurs de moteurs. L'environnement de travail des contrôleurs de moteurs des véhicules électriques étant relativement perturbé, des paramètres parasites tels que la capacité distribuée de grille des IGBT et l'effet Miller dans les commutateurs réels affectent directement la fiabilité des circuits de commande [1]. 

Lorsque le moteur est utilisé, l'IGBT doit être correctement protégé dans des conditions de surintensité, de court-circuit et de surtension. 

Une surintensité entraîne une augmentation de la température du contrôleur moteur, détectable par un capteur de température et protégée par un circuit adapté. Généralement, la surtension se produit lorsque l'IGBT est désactivé. Un rapport di/dt plus élevé produit alors une tension plus élevée sur l'inductance parasite, qui peut être limitée par un circuit tampon ou une réduction appropriée de la fréquence de commutation. 

Après un court-circuit, un courant important est généré instantanément, endommageant rapidement l'IGBT. La protection contre les surintensités de la carte de commande principale est trop tardive et le circuit matériel doit contrôler le circuit de commande pour le protéger instantanément. 

Par conséquent, lors du processus de conception du pilote, le fait que la fonction de protection soit parfaite ou non est particulièrement important pour le fonctionnement sûr du système. 

1. Caractéristiques des modules IGBT 

1.1 Caractéristiques de commutation 

Les caractéristiques de commutation des IGBT sont illustrées à la figure 1. Lorsque le module IGBT est désactivé, le VCE génère une tension de crête élevée due à l'inductance de fuite [2], qui varie avec la variation de dv/dt. Comme le temps de commutation varie avec le courant de collecteur, la température de jonction et la résistance de grille (Rg), si le temps de commutation s'allonge et que la résistance de grille augmente, un phénomène de pontage peut se produire en raison d'un temps mort insuffisant, ce qui peut endommager l'IGBT.  

Parallèlement, des pertes de commutation se produisent à la mise sous tension ou hors tension de l'interrupteur, et cette caractéristique varie en fonction de la température de jonction et de la résistance de commande. Le choix de Rg est particulièrement important. Une valeur Rg trop élevée ralentit la vitesse de commutation de l'IGBT, ce qui peut évidemment réduire le pic de surtension de commutation, mais les pertes de commutation augmentent d'autant, ce qui accroît la production de chaleur de l'IGBT. À l'inverse, une valeur Rg trop faible peut entraîner une tension crête trop élevée (= Ls x dIc/dt). 

1.2 Caractéristique de capacité 

Comme le montre la figure 2 ci-dessous, CGC, CGE et CCE sont les capacités parasites entre les électrodes IGBT, Cies est la capacité d'entrée, Coes est la capacité de sortie et Cres est la capacité de conductance inverse [4]. 

Fig. 2 capacité parasite entre les électrodes IGBT 

Comme le montre la figure 2, le condensateur de sortie équivalent Coes peut fournir un autre chemin au pôle C de l'IGBT, ce qui influence la variation de la tension de collecteur de l'IGBT. Lorsque l'IGBT est désactivé, le courant de charge charge Coes. À ce moment, la vitesse de variation de la tension de collecteur de l'IGBT dépend de la vitesse de charge du courant de charge. La capacité de Coes étant très faible, son influence peut être ignorée en cas de courant élevé. Lorsque le courant de charge est faible, la tension de collecteur de l'IGBT varie considérablement. 

Le processus d'activation et de désactivation de l'IGBT peut être équivalent au processus de charge et de décharge de la capacité parasite (capacité de sortie équivalente du collecteur). 

Le courant de collecteur et la vitesse de commutation influencent la variation de la tension de collecteur. Lorsque le courant de l'IGBT est faible, le rapport dv/dt de la tension de collecteur est faible ; à l'inverse, lorsque le courant augmente, le rapport dv/dt de la tension de collecteur est élevé. 

Dans les branches supérieure et inférieure de l'IGBT, lorsqu'une branche est allumée et l'autre éteinte, une variation de tension dVce/dt est générée sur l'IGBT et la diode de roue libre de la branche éteinte, et un courant de charge iCG est généré entre le collecteur et la grille de l'IGBT de la branche, qui est chargé par les condensateurs parasites CGC et CGE. À ce moment, si la tension VGE est supérieure à la tension d'allumage de l'IGBT, la branche peut être traversante, ce qui peut endommager l'IGBT. 

1.3 zone d'exploitation sûre 

La zone de travail sûre (SOA) reflète la capacité d'un transistor à supporter une certaine tension et un certain courant en même temps. 

La zone de travail sûre de polarisation directe (FBSOA) lorsque l'IGBT est activé est entourée de trois limites : courant, tension et consommation d'énergie. 

Le courant de collecteur maximal Icm est défini pour éviter le verrouillage dynamique, la tension collecteur-émetteur maximale Ucem est déterminée par la tension de claquage des transistors dans l'IGBT et la consommation électrique maximale est déterminée par la température de jonction maximale autorisée. 

Plus le temps de conduction est long, plus la fièvre est grave et plus la zone de travail sûre est étroite. 

La zone de fonctionnement sûre en polarisation inverse (RBSOA) d'un IGBT varie en fonction du rapport dVCE/dt lorsque l'IGBT est désactivé. Plus le rapport dVCE/dt est élevé, plus la RBSOA est étroite. La zone de fonctionnement sûre en polarisation inverse (RBSOA) d'un IGBT varie en fonction du rapport dVCE/dt lorsque l'IGBT est désactivé. Plus le rapport dVCE/dt est élevé, plus la RBSOA est étroite.  

2. Pilotage du module IGBT pour véhicule 

2.1 Influence de la résistance du réseau 

Le module IGBT est un dispositif à grille isolée. L'émetteur-grille (ou source-grille) de l'IGBT possède une structure capacitive, et l'inductance parasite du circuit de grille est inévitable. En l'absence de résistance de grille, le circuit de grille oscille fortement sous l'impulsion de commande du circuit d'attaque ; une résistance doit donc être connectée en série pour une atténuation rapide. 

Le processus de mise sous tension et hors tension d'un IGBT consiste principalement à charger et décharger des capacités ou inductances parasites, qui sont des composants réactifs. En l'absence de résistance de grille, la majeure partie de la puissance d'attaque est consommée par le tube de sortie du circuit d'attaque, ce qui entraîne une forte augmentation de sa température. Parallèlement, la résistance de grille permet également d'ajuster la vitesse d'activation/désactivation du dispositif de commutation. Cependant, une vitesse d'attaque trop rapide augmente considérablement la fréquence de variation de tension et de courant du dispositif de commutation, et les surtensions et courants supportés par l'IGBT augmentent. Dans un environnement automobile, il est préférable d'utiliser une résistance non inductive. S'il s'agit d'une résistance commune, elle peut être remplacée par plusieurs résistances en parallèle. D'une part, cela permet de réduire l'inductance de boucle et son influence sur la forme d'onde de la tension d'attaque ; d'autre part, plusieurs résistances peuvent partager le courant d'attaque, ce qui favorise la diffusion thermique. Si une seule résistance est endommagée, le système sera endommagé. 

Lors de la commande de l'IGBT, le signal d'interférence détruit le signal de grille, ce qui entraîne une importante surtension de rétablissement inverse. Lorsqu'une impulsion de blocage très courte est générée par rapport à la VGE de l'IGBT, la diode de roue libre située côté branche de l'IGBT devient passante et passe très rapidement en état de rétablissement inverse. Pendant ce processus, elle n'y entre qu'après accumulation complète des porteurs. À ce moment, en cas d'impulsion d'interférence étroite, la diode de roue libre rapide passe en état de rétablissement inverse avant l'accumulation complète des porteurs, et la couche d'appauvrissement se dilate rapidement, ce qui produit des DI/DT et DV/DT importants. Lors du rétablissement inverse d'une impulsion étroite, une forte surtension de rétablissement inverse est générée entre la GE de l'IGBT. Cette surtension peut alors être réduite en augmentant la résistance d'entrée de grille RG, en réduisant l'inductance du circuit d'entrée, en renforçant le circuit tampon et en ajoutant un circuit de blocage.  

2.2 Circuit de commande de porte 

Étant donné que les caractéristiques de commutation et la zone de travail sûre de l'IGBT changent avec le changement du circuit de commande de grille, les performances du circuit de commande affecteront directement le fonctionnement normal de l'IGBT. 

L'IGBT est un produit de qualité. 

Le circuit de commande doit fournir une tension de grille directe appropriée à l'IGBT. 

Une fois l'IGBT allumé. 

La tension et le courant de commande fournis par le circuit de commande à l'IGBT doivent avoir une amplitude suffisante pour maintenir l'étage de sortie de puissance de l'IGBT en saturation. 

Lorsque le module est surchargé instantanément, la puissance de commande fournie par le circuit de commande de grille doit être suffisante pour garantir que l'IGBT ne sorte pas de la zone de saturation. 

La chute de tension de l'IGBT après conduction est liée à la tension VGE appliquée. À courant ICE constant, plus la tension VGE est élevée, plus la valeur VCE est faible et plus la perte de conduction du dispositif est faible, ce qui permet d'exploiter pleinement les capacités de fonctionnement du transistor. 

Cependant, la tension VGE n'est pas aussi élevée que possible. En général, elle ne doit pas dépasser 20 V, car en cas de surintensité ou de court-circuit, plus la tension de grille est élevée, plus l'amplitude du courant est importante et plus le risque d'endommagement de l'IGBT est élevé. 

Habituellement, +15 V est approprié pour une considération globale. 

La tension limite de grille de l'IGBT est généralement de +20 V, et si le signal de commande dépasse cette plage, la grille peut être endommagée. 

Par conséquent, il doit y avoir un circuit limiteur de tension entre le circuit de commande et la grille pour protéger la grille contre les claquages ​​lorsque la tension de grille est trop élevée. 

Le contrôleur de moteur de véhicule électrique est piloté par un pont triphasé complet. Six groupes d'IGBT sont nécessaires pour piloter le pont triphasé et fonctionner en mode PWM. Chaque module IGBT nécessite une alimentation isolée des autres modules. 

Afin d'améliorer l'intégration et de réduire les coûts, les puces de contrôle PWM telles que SG3525 sont souvent utilisées pour produire des signaux PWM double canal, piloter des transformateurs d'impulsions et générer des alimentations double canal. Comme le montre la figure 3, U3 sur la figure est SG3525, une puce de contrôle PWM intégrée monolithique avec d'excellentes performances, des fonctions complètes et une forte polyvalence, qui produit deux signaux PWM avec des rapports cycliques complémentaires. Il est simple, fiable, pratique et flexible à utiliser, et l'entraînement de sortie est une sortie push-pull, ce qui augmente la capacité d'entraînement. Il contient un circuit de verrouillage interne en cas de sous-tension, un circuit de commande de démarrage progressif et un verrou PWM. Il dispose d'une fonction de protection contre les surintensités, d'une fréquence réglable et peut limiter le cycle de service maximum. Afin de réaliser une isolation de tension, le contrôle PWM fonctionne dans un état de boucle ouverte. Ajustez le rapport de transformation du transformateur d'impulsions TR20, de sorte que la tension de sortie de son enroulement supérieur soit redressée par un pont redresseur composé de D20, D21, D22 et D23, et que le +18 V passe par un régulateur de tension réglable U20. 

图3 Alimentation électrique du réseau 

Lorsque l'IGBT est désactivé, d'autres composants du circuit étant encore en fonctionnement, des signaux d'oscillation haute fréquence sont générés dans le circuit de grille. Si ces signaux sont faibles, l'IGBT à désactiver sera en état de micro-passage, ce qui augmentera la consommation électrique du tube. 

Le circuit d'alimentation électrique sera à nouveau en court-circuit. 

Par conséquent, le circuit de commande doit être capable de fournir une tension de grille inverse suffisante à l'IGBT pendant la désactivation de l'IGBT. 

Ajustez le rapport de tours du transformateur d'impulsions TR20, de sorte que la tension de sortie de son enroulement inférieur soit redressée par le pont redresseur composé de D24, D25, D26 et D27, et la tension de -10 V applique la tension de grille inverse à l'IGBT à l'état désactivé, ce qui garantit que l'IGBT peut toujours être désactivé de manière fiable lorsque la grille présente un bruit de commutation. 

2.3 Isolation et protection du portail motorisé 

Dans les véhicules de grande taille, comme les bus électriques, la puissance de sortie du contrôleur moteur est importante, tout comme le courant de commande requis. Lors d'accélérations ou de freinages rapides, le courant d'impulsion instantané peut atteindre plusieurs centaines d'ampères. Deux modules IGBT sont souvent connectés en parallèle, ou un IGBT haute puissance est utilisé pour améliorer la puissance de sortie. Comme illustré à la figure 4. 

Sur la figure, les signaux d'entrée PWM1A et PWM1B pilotent respectivement les bras supérieur et inférieur des modules IGBT U1 et U2. Les bras supérieurs des modules IGBT U1 et U2 sont connectés à la sortie du circuit totem pole de PWM1A, et les bras inférieurs des modules IGBT U1 et U2 sont connectés à la sortie du circuit totem pole de PWM1B. Lorsque le signal avant PWM1A est appliqué, les deux bras supérieurs sont activés et les bras inférieurs désactivés simultanément ; sinon, les bras inférieurs sont activés et les bras supérieurs désactivés simultanément. 

Deux modules IGBT sont connectés en parallèle, ce qui augmente le courant de sortie et la puissance des modules IGBT. 

Dans le processus de travail, afin d'empêcher l'accumulation de charge de grille et le pic de tension grille-source d'endommager l'IGBT, certains éléments de protection peuvent être placés entre G et E, comme illustré dans la figure 5. 

Les résistances R112, R212, R122 et R222 servent à décharger la charge accumulée de la grille [5]. Deux diodes Zener D111, D112, D211, D212, D121, D122, D221 et D222 sont connectées en série. Elles empêchent la surtension grille-source d'endommager l'IGBT. 

Sur la figure, DEC1 et DEC2 correspondent aux signaux de détection de défaut du module de pilotage M57962L transmis à l'IGBT. Après avoir traversé les diodes et les résistances, DEC1 est connecté à la borne C de l'IGBT et DEC2 à sa borne E. 

Figure 4 Circuit de sortie IGBT parallèle 

Figure 5 M57962L Circuit de commande isolé 

En raison de la haute tension de la batterie d'alimentation du véhicule électrique, l'IGBT fonctionne dans une situation de haute tension et de courant élevé. 

Une capacité d’isolation électrique d’entrée et de sortie suffisante est requise. 

Le circuit de commande doit être strictement isolé du circuit de commande. Le circuit de commande IGBT spécial Mitsubishi M57962L est isolé électriquement par couplage photoélectrique rapide. Ce circuit à couche épaisse présente un délai de transmission du signal court, un temps de saut de signal inférieur à 1.5 µs et une fréquence de fonctionnement maximale de 20 kHz. Il adopte une technologie de commande à double alimentation, et l'alimentation utilise une double tension de +15 V/-10 V, ce qui garantit une tension de grille négative relativement élevée en sortie [6]. 

Comme illustré à la figure 5, chaque bras de pont IGBT adopte deux M57962L, U1 pilotant l'IGBT du bras supérieur et U2 celui du bras inférieur. DEC1 et DEC2 sont les signaux de détection de défaut de l'IGBT de la figure 4. Lorsqu'un défaut est détecté, le M57962L désactive l'IGBT d'une part, et le signal de défaut émis par la broche 8 du M57962L est isolé par les optocoupleurs PC10 et PC20 et renvoyé au processeur. De plus, un circuit de verrouillage matériel est intégré à la borne d'entrée PWM du M57962L. Lorsque le signal d'entrée d'un demi-pont est à un niveau haut, le signal d'entrée de l'autre demi-pont est simultanément abaissé, afin d'éviter l'allumage des deux feux de route dû à un signal d'entrée anormal. 

Assurez-vous que le circuit peut fonctionner de manière sûre et fiable. 

3. Protection de l'IGBT pour le contrôleur de moteur de véhicule

3.1 Protection contre les surtensions et les surtensions de l'IGBT pour le contrôleur de moteur de véhicule 

Lorsque le contrôleur de moteur du véhicule électrique est utilisé, en raison de freinages d'accélération fréquents, lorsque le véhicule électrique effectue un freinage par rétroaction, le moteur passe dans un état de production d'énergie et l'énergie fournie au bus CC est relativement importante. 

À ce stade, la tension sur le bus continu du véhicule électrique se superpose à la tension de rétroaction générée lors du freinage de rétroaction, en plus de celle fournie par la batterie d'alimentation. Après l'essai réel, lorsque la tension du bus continu atteint 538 V, la tension de crête maximale dépasse 800 V. Parallèlement, le collecteur di/dt génère également une surtension de forte amplitude sur l'inductance distribuée du circuit principal lors de la désactivation de l'IGBT et du retour en charge de la diode de roue libre qui lui est connectée. 

La surtension en régime permanent est détectée par le circuit matériel correspondant, protégé par le processeur de commande principal. En cas de surtension CC pulsée transitoire, le condensateur de liaison CC absorbe la tension et le réseau d'absorption RC ou RCD interne assure la protection du circuit principal IGBT. 

Le DC-Link présente une faible ESL, une surtension élevée, une tension maximale de 1200 40 V et un courant d'ondulation élevé. L'IGBT fonctionne en mode PWM ; le système doit donc être capable de fournir un courant d'ondulation important. Le DC-Link peut fournir un courant d'ondulation d'une valeur efficace supérieure à XNUMX A. 

Et n'est pas affecté par la surtension générée lors de la commutation, afin de garantir que la fluctuation de tension sur le bus DC reste dans la plage autorisée. Et n'est pas affecté par la surtension générée lors de la commutation, afin de garantir que la fluctuation de tension sur le bus DC reste dans la plage autorisée.  

3.2 Application de l'IGBT dans le contrôleur de moteur de véhicule 

Dans l'environnement d'application pratique des véhicules électriques, en raison de la puissance élevée du moteur, le courant de surtension transitoire des IGBT peut atteindre plus de 700 A. Nous utilisons deux IGBT 2MBI450VN-120-50 de Fuji pour la sortie parallèle (les caractéristiques de cet IGBT sont présentées dans le tableau 1), de sorte que le courant de sortie des IGBT parallèles peut atteindre environ 900 A, ce qui répond aux exigences du courant du véhicule. Les caractéristiques électriques du 2MBI450VN sont présentées dans le tableau 1. 

Afin d'éviter les interférences de capacité parasite sur le circuit de commande de grille de l'IGBT, nous soudons directement la carte de commande sur les broches d'entrée de deux modules IGBT, et connectons la capacité de désoscillation et le circuit de limitation bidirectionnel en parallèle aux bornes d'entrée de grille. En cas de court-circuit, l'IGBT peut être efficacement protégé s'il est désactivé à temps. 

L’une des façons d’identifier si l’IGBT présente une surintensité est de détecter la chute de tension VCE de son tube. 

Lorsque l'IGBT est allumé, si VCE est trop élevé, un court-circuit se produira et l'IGBT devra être éteint immédiatement. 

Lorsque l'IGBT est éteint par surintensité, en raison de la grande amplitude de courant dans l'IGBT, si l'IGBT est éteint rapidement, le Ldi/dt sera trop élevé et une tension de crête élevée sera générée aux deux extrémités de l'IGBT, ce qui endommagera facilement l'IGBT, de sorte que la méthode de « mise hors tension lente et douce » est produite. 

Le circuit de commande M57962L est conçu selon la théorie ci-dessus. 

En cas de surcharge ou de court-circuit de l'IGBT, le potentiel de son collecteur augmente et le courant circulant dans le circuit de détection via la diode externe augmente. Le circuit de coupure de grille coupe le signal de commande de grille de l'IGBT et, simultanément, un signal d'indication de surcharge/court-circuit de faible niveau est émis sur la broche « 8 ». 

La figure 7 montre les formes d'onde de tension et de courant lors de la mise sous tension et hors tension de l'IGBT. On constate qu'avec l'augmentation de la tension de grille, le courant du pôle C augmente, tandis que la tension VCE chute. Lorsque l'IGBT est désactivé, la tension de grille est négative, le courant du pôle C chute et la tension VCE monte jusqu'à la tension d'alimentation. 

Figure 7 Diagramme de forme d'onde de tension et de courant de coupure de l'IGBT 

4. conclusions 

Sur la base de l'application pratique, cet article expose l'idée de conception du circuit de commande du module IGBT du contrôleur de moteur de véhicule électrique, résume les caractéristiques du module IGBT, la conception et la protection du circuit de commande de grille, les problèmes et les méthodes de protection du courant, de la tension et de la température du module IGBT en fonctionnement normal, et fournit le principe de conception et le schéma de vérification correspondants. 

La vérification réelle prouve que ce circuit est fiable, pratique, sûr et peut être largement utilisé dans la conception de contrôleurs de moteur de divers véhicules électriques à grande échelle, et a de grandes perspectives d'application. 

[les références] 

[1] Wang Yingli, Du Ming, et al. extraient les paramètres parasites des fils de liaison dans les modules IGBT [J] Chemical Automation and Instrument 2014 ，41 （4） 419-422 

[2] Code de conception de la commande de grille IGBT [N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3] Manuel d'application du module IGBT Fuji de Fuji Electric Co., Ltd. [M]. 2011 09 

[4] Hu Man-hong, influence de Wang Ya-qiong de la capacité parasite sur le taux de variation de la tension du collecteur dans le processus de commutation IGBT [N] Journal of Xinxiang Normal College2007.9 45-47 

[5] Zhang Jun, Bian Qing, Conception d'un circuit d'entraînement d'onduleur basé sur IGBT [J] Technologie d'automatisation et application 2011.30.3 103 -105 

[6] Jiang Wenqu Changmeng Un circuit à couche épaisse IGBT M57962L [J] En ligne http://www.paper.eud.cn 

[7] Technologie de pilotage et de protection de l'IGBT pour le contrôleur de moteur du véhicule électrique Sunny Yangjiangming [N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html