1. Introdução 

IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), o transistor bipolar de porta isolada é um dispositivo semicondutor de potência totalmente controlado e acionado por tensão composto de BJT (Transistor Bipolar) e MOS (Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada), que tem as vantagens de alta impedância de entrada do MOSFET e baixa queda de tensão do GTR. 

IGBTCombinando as vantagens dos dois dispositivos acima, a potência de acionamento é baixa e a tensão de saturação é reduzida. 

Tornou-se a corrente principal no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de energia e é amplamente utilizado em energia eólica, fotovoltaica, veículos elétricos, redes inteligentes e outras indústrias. 

Na indústria de veículos elétricos, o IGBT é amplamente utilizado em controladores de motores, sistemas de energia auxiliares e condicionadores de ar elétricos. IGBTs de alta potência são usados ​​principalmente em controladores de motores. Como o ambiente de trabalho dos controladores de motores em veículos elétricos é relativamente perturbado, parâmetros parasitas, como a capacitância distribuída da porta do IGBT e o efeito Miller nos interruptores reais, afetam diretamente a confiabilidade dos circuitos de acionamento [1]. 

Quando o motor estiver em uso, o IGBT deve ser protegido adequadamente contra condições de sobrecorrente, curto-circuito e sobretensão. 

A sobrecorrente fará com que a temperatura do controlador do motor aumente, o que pode ser detectado pelo sensor de temperatura e protegido pelo circuito correspondente. Geralmente, a sobretensão ocorre quando o IGBT é desligado, e um DI/Dt maior produzirá uma tensão mais alta na indutância parasita, que pode ser controlada usando um circuito buffer ou reduzindo adequadamente a taxa de comutação. 

Após o curto-circuito, uma enorme corrente será gerada instantaneamente, o que danificará o IGBT em breve. A proteção contra sobrecorrente da placa de controle principal é acionada tardiamente, e o circuito de hardware precisa controlar o circuito de acionamento para protegê-lo instantaneamente. 

Portanto, no processo de projeto do driver, se a função de proteção é perfeita ou não, é particularmente importante para a operação segura do sistema. 

1. Características dos módulos IGBTC 

1.1 Características de comutação 

As características de comutação do IGBT são mostradas na Figura 1. Quando o módulo IGBT é desligado, o VCE gera picos de alta tensão devido à indutância de fuga [2], que muda com a variação de dv/dt. Como o tempo de comutação varia com a corrente do coletor, a temperatura da junção e a resistência da porta (Rg), se o tempo de comutação e a resistência da porta aumentarem, o fenômeno de "ponte de braço" pode ocorrer devido ao tempo morto insuficiente, o que pode danificar o IGBT.  

Ao mesmo tempo, a perda de comutação ocorre quando o interruptor é ligado ou desligado, e essa característica varia com a temperatura da junção e a resistência de acionamento. A seleção de Rg é especialmente importante. Se Rg for muito grande, a velocidade de comutação do IGBT será reduzida, o que pode obviamente reduzir o pico de sobretensão de comutação, mas a perda de comutação será correspondentemente aumentada, o que aumentará a geração de calor do IGBT. Por outro lado, quando Rg for muito pequeno, pode haver uma tensão de pico muito alta (=Ls x dIc/dt). 

1.2 Característica de capacitância 

Conforme mostrado na Figura 2 abaixo, CGC, CGE e CCE são as capacitâncias parasitas entre os eletrodos IGBT, Cies é a capacitância de entrada, Coes é a capacitância de saída e Cres é a capacitância de condutância reversa [4]. 

Fig. 2 Capacitância parasita entre eletrodos IGBT 

Como pode ser visto na Figura 2, o capacitor de saída equivalente Coes pode fornecer outro caminho para o polo C do IGBT, afetando a variação da tensão de coletor do IGBT. Quando o IGBT é desligado, a corrente de carga carrega Coes. Nesse momento, a taxa de variação da tensão de coletor do IGBT depende da velocidade de carga da corrente de carga. Como a capacidade de Coes é muito pequena, sua influência pode ser ignorada em caso de alta corrente. Quando a corrente de carga é baixa, a tensão de coletor do IGBT muda significativamente. 

O processo de ligar e desligar o IGBT pode ser equivalente ao processo de carregar e descarregar capacitância parasita (capacitância de saída equivalente do coletor). 

A corrente do coletor e a velocidade de comutação influenciam a taxa de variação da tensão do coletor. Quando a corrente do IGBT é pequena, a relação dv/dt da tensão do coletor é pequena; ao contrário, quando a corrente aumenta, a relação dv/dt da tensão do coletor é grande. 

Nas pernas superior e inferior do IGBT, quando uma perna é ligada e a outra desligada, uma variação de tensão dVce/dt será gerada no IGBT e no diodo de roda livre da perna desligada, e uma corrente de carga iCG será gerada entre o coletor e a porta do IGBT da perna, que será carregada pelos capacitores parasitas CGC e CGE. Nesse caso, se VGE for maior que a tensão de ativação do IGBT, a perna pode ser desativada, resultando em danos ao IGBT. 

1.3 área de operação segura 

A área de trabalho segura (SOA) reflete a capacidade de um transistor de suportar uma certa tensão e corrente ao mesmo tempo. 

A área de trabalho segura de polarização direta (FBSOA) quando o IGBT é ligado é cercada por três limites: corrente, tensão e consumo de energia. 

A corrente máxima do coletor Icm é definida para evitar o bloqueio dinâmico, a tensão máxima do coletor-emissor Ucem é determinada pela tensão de ruptura dos transistores no IGBT, e o consumo máximo de energia é determinado pela temperatura máxima permitida da junção. 

Quanto maior o tempo de condução, mais grave é a febre e mais estreita é a área de trabalho segura. 

A área de operação segura de polarização reversa (RBSOA) do IGBT varia com o dVCE/dt quando o IGBT está desligado. Quanto maior o dVCE/dt, mais estreita é a RBSOA. A área de operação segura de polarização reversa (RBSOA) do IGBT varia com o dVCE/dt quando o IGBT está desligado. Quanto maior o dVCE/dt, mais estreita é a RBSOA.  

2. Condução do módulo IGBT para veículo 

2.1 Influência da resistência da rede 

O módulo IGBT é um dispositivo de porta isolado. A porta-emissor (ou porta-fonte) do IGBT possui uma estrutura capacitiva, e a indutância parasita do circuito de porta é inevitável. Se não houver um resistor de porta, o circuito de porta oscilará fortemente sob a excitação do pulso de acionamento do driver, portanto, um resistor precisa ser conectado em série para atenuar rapidamente. 

O processo de ligar e desligar do IGBT é principalmente o processo de carregar e descarregar capacitância ou indutância parasita, que são todos componentes reativos. Se não houver resistência de porta, a maior parte da potência de acionamento será consumida no tubo de saída dentro do driver, e sua temperatura aumentará significativamente. Ao mesmo tempo, o resistor de porta também pode ajustar a velocidade de ativação/desativação do dispositivo de comutação de energia, mas uma velocidade de acionamento muito rápida aumentará significativamente a taxa de variação de tensão e corrente do dispositivo de comutação, e a tensão de surto e a corrente suportadas pelo IGBT aumentarão. No ambiente real do veículo, é melhor usar o resistor não indutivo. Se for um resistor comum, ele pode ser substituído por vários resistores em paralelo. Por um lado, pode reduzir a indutância do loop e sua influência na forma de onda da tensão de acionamento; por outro lado, vários resistores podem compartilhar a corrente de acionamento, o que é propício para aumentar a difusão térmica. Se um único resistor for danificado, o sistema será danificado. 

Quando o IGBT é acionado, o sinal de interferência fará com que o sinal do gate seja destruído, resultando em uma grande sobretensão de recuperação reversa. Quando um pulso de bloqueio muito curto é gerado em relação à VGE do IGBT, o diodo de roda livre no lado do ramo do IGBT liga e entra no estado de recuperação reversa em um tempo muito curto. Durante o processo de recuperação reversa, ele entrará no estado de recuperação reversa somente após acumular totalmente as portadoras. Neste momento, se houver um pulso de interferência estreito, o diodo de roda livre rápido entra no estado de recuperação reversa antes de acumular totalmente as portadoras, e a camada de depleção se expande rapidamente, o que faz com que produza DI/DT e DV/DT fortes. Durante a recuperação reversa do pulso estreito, uma alta sobretensão de recuperação reversa será gerada entre GE do IGBT. Neste momento, a sobretensão pode ser reduzida aumentando a resistência de entrada do gate RG, reduzindo a indutância do circuito de entrada, fortalecendo o circuito buffer e adicionando um circuito clamp.  

2.2 Circuito de acionamento do portão 

Como as características de comutação e a área de trabalho segura do IGBT mudam com a mudança do circuito de acionamento da porta, o desempenho do circuito de acionamento afetará diretamente a operação normal do IGBT. 

为使 IGBT 能可靠工作。 

O circuito de acionamento deve fornecer tensão de porta direta adequada ao IGBT. 

Após o IGBT ser ligado. 

A tensão e a corrente de acionamento fornecidas pelo circuito de acionamento ao IGBT devem ter amplitude suficiente para manter o estágio de saída de potência do IGBT em saturação. 

Quando o módulo é sobrecarregado instantaneamente, a potência de acionamento fornecida pelo circuito de acionamento do gate deve ser suficiente para garantir que o IGBT não saia da região de saturação. 

A queda de tensão do IGBT após a condução está relacionada à tensão VGE aplicada. Quando a corrente do ICE é constante, quanto maior a VGE, menor o valor de VCE e menor a perda de condução do dispositivo, o que é benéfico para dar ao transistor o máximo desempenho possível. 

No entanto, a VGE não é tão alta quanto possível. Geralmente, não é permitido exceder 20 V, pois, em caso de sobrecorrente ou curto-circuito, quanto maior a tensão de gate, maior a amplitude da corrente e maior a possibilidade de danos ao IGBT. 

Normalmente, +15V é apropriado para consideração abrangente. 

A tensão limite do gate do IGBT é geralmente de +20 V e, se o sinal de acionamento exceder essa faixa, o gate poderá ser danificado. 

Portanto, deve haver um circuito limitador de tensão entre o circuito de acionamento e a porta para proteger a porta contra quebra quando a tensão da porta for muito alta. 

O controlador do motor do veículo elétrico é acionado por uma ponte completa trifásica, e seis grupos de IGBTs são necessários para acionar o braço da ponte trifásica para operar em modo PWM. Cada módulo IGBT precisa de uma fonte de alimentação isolada dos demais módulos. 

A fim de melhorar a integração e reduzir o custo, chips de controle PWM, como o SG3525, são frequentemente usados ​​para emitir sinais PWM de canal duplo, acionar transformadores de pulso e gerar fontes de alimentação de canal duplo. Conforme mostrado na Figura 3, o U3 na figura é o SG3525, um chip de controle PWM integrado monolítico com excelente desempenho, funções completas e grande versatilidade, que emite dois sinais PWM com taxas de serviço complementares. É simples, confiável, conveniente e flexível de usar, e a unidade de saída é push-pull, o que aumenta a capacidade de condução. Ele contém circuito interno de bloqueio de subtensão, circuito de controle de partida suave e trava PWM. Possui função de proteção contra sobrecorrente, frequência ajustável e pode limitar o ciclo de trabalho máximo. Para realizar o isolamento de tensão, o controle PWM funciona em estado de malha aberta. Ajuste a relação de espiras do transformador de pulso TR20, de modo que a tensão de saída de seu enrolamento superior seja retificada por uma ponte retificadora composta por D20, D21, D22 e D23, e os +18V passem por um regulador de tensão ajustável U20. 

图3 Fonte de alimentação de acionamento da rede 

Quando o IGBT é desligado, como outras partes do circuito ainda estão funcionando, alguns sinais de oscilação de alta frequência serão gerados no circuito de gate. Se esses sinais forem fracos, o IGBT que deveria ser desligado estará em um estado de micropassagem, o que aumentará o consumo de energia da válvula. 

O circuito da fonte de alimentação estará em estado de curto-circuito novamente. 

Portanto, o circuito de acionamento deve ser capaz de fornecer tensão de porta reversa suficiente ao IGBT durante o desligamento do IGBT. 

Ajuste a relação de voltas do transformador de pulso TR20, de modo que a tensão de saída do seu enrolamento inferior seja retificada pela ponte retificadora composta por D24, D25, D26 e D27, e a tensão de -10 V aplique a tensão de porta reversa ao IGBT no estado desligado, o que garante que o IGBT ainda possa ser desligado de forma confiável quando a porta tiver ruído de comutação. 

2.3 Isolamento e proteção do portão de acionamento 

Em veículos grandes, como ônibus elétricos, a potência de saída do controlador do motor é alta, assim como a corrente de acionamento necessária. Quando o veículo é acelerado ou freado rapidamente, a corrente de impulso instantânea pode atingir várias centenas de amperes. Dois módulos IGBT são frequentemente conectados em paralelo ou um IGBT de alta potência é usado para aumentar a potência de saída. Conforme mostrado na Figura 4. 

Na figura, os sinais de entrada PWM1A e PWM1B são usados ​​para acionar os braços superior e inferior dos módulos IGBT U1 e U2, respectivamente. Os braços superiores dos módulos IGBT U1 e U2 são conectados à saída do circuito totem pole do PWM1A, e os braços inferiores dos módulos IGBT U1 e U2 são conectados à saída do circuito totem pole do PWM1B. Quando o sinal frontal PWM1A é inserido, os dois braços superiores são ligados e os braços inferiores são desligados simultaneamente; caso contrário, os braços inferiores são ligados e os braços superiores são desligados simultaneamente. 

Dois módulos IGBT são conectados em paralelo, o que aumenta a corrente de saída e a potência dos módulos IGBT. 

No processo de trabalho, para evitar que o acúmulo de carga da porta e o pico de tensão da porta-fonte danifiquem o IGBT, alguns elementos de proteção podem ser ajustados entre G e E, conforme mostrado na Figura 5. 

Os resistores R112, R212, R122 e R222 são usados ​​para descarregar a carga acumulada da comporta [5]; dois diodos Zener D111, D112, D211, D212, D121, D122, D221 e D222 conectados em série. Para evitar que o pico de tensão entre a comporta e a fonte danifique o IGBT. 

DEC1 e DEC2 na figura são os sinais de detecção de falhas do módulo de acionamento M57962L para o IGBT. Após passar por diodos e resistores, DEC1 é conectado ao terminal C do IGBT, e DEC2 é conectado ao terminal E do IGBT. 

Figura 4 Circuito de saída IGBT paralelo 

Figura 5 Circuito de acionamento isolado M57962L 

Devido à alta voltagem da bateria do veículo elétrico, o IGBT funciona em situações de alta voltagem e alta corrente. 

É necessária capacidade suficiente de isolamento elétrico de entrada e saída. 

O circuito de acionamento deve ser rigorosamente isolado de todo o circuito de controle em potencial. O circuito de acionamento IGBT especial Mitsubishi M57962L é isolado eletricamente por acoplamento fotoelétrico rápido. Este circuito de filme espesso possui um curto tempo de atraso na transmissão do sinal, com um tempo de atraso de salto do sinal inferior a 1.5 uS e uma frequência de operação máxima de 20 kHz. Adota a tecnologia de acionamento de dupla potência, e a fonte de alimentação utiliza tensão dupla de +15 V/-10 V, de modo que a tensão de porta negativa da saída seja relativamente alta [6]. 

Conforme mostrado na Figura 5, cada braço de ponte IGBT adota dois M57962L, nos quais U1 aciona o IGBT do braço de ponte superior e U2 aciona o IGBT do braço de ponte inferior. DEC1 e DEC2 são os detectores de sinal de falha do IGBT na Figura 4. Quando uma falha é detectada, o M57962L desliga o IGBT por um lado e, por outro lado, o sinal de falha emitido pelo pino 8 do M57962L é isolado pelos optoacopladores PC10 e PC20 e realimentado para a CPU. Além disso, um circuito de intertravamento de hardware é adotado no terminal de entrada PWM do M57962L. Quando o sinal de entrada de uma meia ponte está em um nível alto, o sinal de entrada da outra meia ponte é reduzido ao mesmo tempo, de modo a evitar o fenômeno de que ambas as luzes de condução sejam ligadas devido ao sinal de entrada anormal. 

Certifique-se de que o circuito possa funcionar de forma segura e confiável. 

3. Proteção do IGBT para Controlador de Motor de Veículo

3.1 Proteção contra sobretensão e surtos do IGBT para controlador de motor de veículo 

Quando o controlador do motor do veículo elétrico está em uso, devido à frequente frenagem de aceleração, quando o veículo elétrico realiza a frenagem por feedback, o motor muda para um estado de geração de energia e a energia alimentada ao barramento CC é relativamente grande. 

Neste momento, a tensão no barramento CC do veículo elétrico é sobreposta à tensão de realimentação gerada durante a frenagem por realimentação, além da parte fornecida pela bateria. Após o teste real, quando a tensão do barramento CC é de 538 V, a tensão de pico máxima excede 800 V. Ao mesmo tempo, o coletor DI/Dt também gerará sobretensão de alta amplitude na indutância distribuída do circuito principal durante o desligamento do IGBT e a recuperação reversa do diodo de roda livre conectado a ele. 

A sobretensão em regime permanente é detectada pelo circuito de hardware correspondente, que é protegido pela CPU de controle principal. Em caso de sobretensão CC pulsante transitória, o capacitor DC-Link é usado para absorver a tensão e a rede de absorção RC ou RCD interna é usada para amortecer e proteger o circuito principal do IGBT. 

O DC-Link possui baixo ESL, alta tensão de surto, a tensão máxima de 1200 V e alta corrente de ondulação. O IGBT funciona em modo PWM, portanto, o sistema precisa ser capaz de fornecer uma corrente de ondulação considerável. O DC-Link pode fornecer corrente de ondulação com valor efetivo superior a 40 A. 

E não é afetado pela sobretensão gerada durante a comutação, de modo a garantir que a flutuação de tensão no barramento CC permaneça dentro da faixa permitida. E não é afetado pela sobretensão gerada durante a comutação, de modo a garantir que a flutuação de tensão no barramento CC permanece dentro da faixa permitida.  

3.2 Aplicação de IGBT no Controlador de Motor de Veículo 

No ambiente de aplicação prática de veículos elétricos, devido à alta potência do motor, a corrente de pico transitória do IGBT pode atingir mais de 700 A. Utilizamos dois IGBTs 2MBI450VN-120-50 da Fuji para saída em paralelo (os parâmetros característicos deste IGBT são mostrados na Tabela 1), de modo que a corrente de saída do IGBT em paralelo pode atingir cerca de 900 A, o que atende aos requisitos de corrente do veículo. Os parâmetros característicos elétricos do 2MBI450VN são mostrados na Tabela 1. 

Para evitar a interferência da capacitância distribuída parasita no circuito de acionamento do gate do IGBT, soldamos a placa de circuito de acionamento diretamente nos pinos de entrada de dois módulos IGBT e conectamos a capacitância desoscilante e o circuito limitador bidirecional em paralelo nos terminais de entrada do gate. Se o IGBT for submetido a uma corrente de curto-circuito, ele poderá ser protegido de forma eficaz se for desligado a tempo. 

Uma das maneiras de identificar se o IGBT tem sobrecorrente é detectar a queda de tensão VCE do seu tubo. 

Quando o IGBT é ligado, se o VCE estiver muito alto, ocorrerá um curto-circuito e o IGBT deverá ser desligado imediatamente. 

Quando o IGBT é desligado por sobrecorrente, devido à grande amplitude de corrente no IGBT, se o IGBT for desligado rapidamente, o Ldi/dt será muito alto, e uma alta tensão de pico será gerada em ambas as extremidades do IGBT, o que danificará facilmente o IGBT, então o método de "desligamento lento e suave" é produzido. 

O circuito de acionamento M57962L foi projetado de acordo com a teoria acima. 

Quando o IGBT está sobrecarregado ou em curto-circuito, o potencial do coletor do IGBT aumenta e a corrente que flui para o circuito de detecção através do diodo externo aumenta. O circuito de desligamento da porta atua para cortar o sinal de acionamento da porta do IGBT e, ao mesmo tempo, um sinal de indicação de "sobrecarga/curto-circuito" de baixo nível é emitido no pino "8". 

A Figura 7 mostra as formas de onda de tensão e corrente quando o IGBT é ligado e desligado. Pode-se observar na figura que, com o aumento da tensão de porta, a corrente no polo C aumenta, enquanto a tensão VCE cai. Quando o IGBT é desligado, a tensão de porta fica negativa, a corrente no polo C cai e a tensão VCE sobe até atingir a tensão da fonte de alimentação. 

Figura 7 Diagrama de forma de onda de tensão e corrente de desligamento do IGBT 

4. Conclusão 

Com base na aplicação prática, este artigo expõe a ideia de design do circuito de acionamento do módulo IGBT do controlador de motor de veículo elétrico, resume as características do módulo IGBT, o design e a proteção do circuito de acionamento do gate, os problemas e métodos de proteção de corrente, tensão e temperatura do módulo IGBT em operação normal e fornece o princípio de design e o esquema de verificação correspondentes. 

A verificação real prova que este circuito é confiável, prático, seguro e pode ser amplamente utilizado no projeto de controladores de motores de diversos veículos elétricos de grande porte, além de ter uma grande perspectiva de aplicação. 

[referências] 

[1] Wang Yingli, Du Ming, et al. extraem parâmetros parasitas de fios de ligação em módulos IGBT [J] Chemical Automation and Instrument 2014 ，41 （4） 419-422 

[2] Código para projeto de acionamento de porta IGBT [N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3] Manual de aplicação do módulo Fuji IGBT da Fuji Electric Co., Ltd.[M]. 2011 09 

[4] Hu Man-hong, influência de Wang Ya-qiong da capacitância parasita na taxa de variação da tensão do coletor no processo de comutação IGBT [N] Journal of Xinxiang Normal College 2007.9 45-47 

[5] Zhang Jun, Bian Qing, Projeto de circuito de acionamento do inversor baseado em IGBT [J] Tecnologia de automação e aplicação 2011.30.3 103 -105 

[6] Jiang Wenqu Changmeng Um circuito de filme espesso IGBT M57962L [J] Online http://www.paper.eud.cn 

[7] Tecnologia de condução e proteção do IGBT para controlador de motor do veículo elétrico Sunny Yangjiangming [N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html