1. Введение 

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) - биполярный транзистор с изолированным затвором - это композитный полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, состоящий из BJT (биполярного транзистора) и MOS (полевого транзистора с изолированным затвором), который обладает преимуществами высокого входного сопротивления MOSFET и низкого падения напряжения GTR. 

IGBTОбъединяя преимущества двух вышеупомянутых устройств, мощность возбуждения низкая, а напряжение насыщения снижено. 

Он стал основным направлением разработки силовых полупроводниковых устройств и широко используется в ветроэнергетике, фотоэлектрических системах, электромобилях, интеллектуальных сетях и других отраслях. 

В электромобилях IGBT широко используются в контроллерах двигателей, вспомогательных системах питания и электрических кондиционерах. Мощные IGBT в основном используются в контроллерах двигателей. Поскольку рабочая среда контроллеров двигателей в электромобилях относительно возмущена, паразитные параметры, такие как распределенная емкость затвора IGBT и эффект Миллера в реальных ключах, напрямую влияют на надежность цепей управления [1]. 

При эксплуатации двигателя IGBT должен быть надежно защищен от перегрузки по току, короткого замыкания и перенапряжения. 

Перегрузка по току приводит к повышению температуры контроллера двигателя, что может быть обнаружено датчиком температуры и защищено соответствующей схемой. Как правило, перенапряжение возникает при выключении IGBT, а большая величина di/dt приводит к повышению напряжения на паразитной индуктивности, которое можно ограничить с помощью буферной схемы или соответствующим снижением частоты переключения. 

После короткого замыкания мгновенно генерируется огромный ток, который вскоре повредит IGBT. Защита от перегрузки по току на основной плате управления срабатывает слишком поздно, и аппаратная схема должна управлять схемой управления, чтобы мгновенно защитить её. 

Поэтому в процессе проектирования драйвера для безопасной работы системы особенно важно, идеальна или нет функция защиты. 

1. IGBTХарактеристики модулей 

1.1 Характеристики переключения 

Характеристики переключения IGBT показаны на рисунке 1. При выключении IGBT-модуля напряжение VCE генерирует пиковое высокое напряжение из-за индуктивности рассеяния [2], которая изменяется с изменением dv/dt. Поскольку время переключения зависит от тока коллектора, температуры перехода и сопротивления затвора (Rg), то при увеличении времени переключения и увеличении сопротивления затвора может возникнуть эффект сквозного перехода через плечо моста из-за недостаточного времени запаздывания, что может привести к повреждению IGBT.  

В то же время, коммутационные потери возникают при включении и выключении ключа, и эта характеристика изменяется в зависимости от температуры перехода и сопротивления привода. В частности, выбор Rg очень важен. Слишком большое значение Rg замедляет скорость переключения IGBT, что, очевидно, может снизить пик перенапряжения при коммутации, но при этом соответственно увеличиваются коммутационные потери, что приводит к увеличению тепловыделения IGBT. Напротив, слишком малое значение Rg может привести к слишком высокому пиковому напряжению (=Ls x dIc/dt). 

1.2 Емкостная характеристика 

Как показано на рисунке 2 ниже, CGC, CGE и CCE — паразитные емкости между электродами IGBT, Cies — входная емкость, Coes — выходная емкость, а Cres — емкость обратной проводимости [4]. 

Рис. 2 Паразитная емкость между электродами IGBT 

Как видно из рисунка 2, эквивалентный выходной конденсатор Coes может обеспечить дополнительный путь для C-полюса IGBT, что повлияет на изменение напряжения коллектора IGBT. При выключении IGBT ток нагрузки будет заряжать Coes. В этот момент скорость изменения напряжения коллектора IGBT зависит от скорости заряда тока нагрузки. Поскольку ёмкость Coes очень мала, её влиянием можно пренебречь при больших токах. При малых токах нагрузки напряжение коллектора IGBT будет существенно меняться. 

Процесс включения и выключения IGBT можно эквивалентно процессу зарядки и разрядки паразитной емкости (эквивалентной выходной емкости коллектора). 

Ток коллектора и скорость переключения влияют на скорость изменения напряжения коллектора. При малом токе IGBT скорость изменения напряжения коллектора мала; наоборот, при увеличении тока скорость изменения напряжения коллектора велика. 

В верхнем и нижнем плечах IGBT, когда одно плечо включено, а другое выключено, на IGBT и обратном диоде выключенного плеча возникает изменение напряжения dVce/dt, а между коллектором и затвором IGBT плеча возникает зарядный ток iCG, который заряжается паразитными конденсаторами CGC и CGE. В этот момент, если VGE превышает напряжение включения IGBT, плечо может быть пробито, что приведет к повреждению IGBT. 

1.3 область безопасной эксплуатации 

Безопасная рабочая зона (SOA) отражает способность транзистора выдерживать одновременно определенное напряжение и ток. 

Безопасная рабочая область прямого смещения (FBSOA) при включении IGBT ограничена тремя граничными пределами: током, напряжением и потребляемой мощностью. 

Максимальный ток коллектора Icm устанавливается таким образом, чтобы избежать динамической блокировки, максимальное напряжение коллектор-эмиттер Ucem определяется напряжением пробоя транзисторов в IGBT, а максимальная потребляемая мощность определяется максимально допустимой температурой перехода. 

Чем дольше время проведения, тем серьезнее лихорадка и уже безопасная рабочая зона. 

Область безопасной работы при обратном смещении (RBSOA) IGBT изменяется в зависимости от dVCE/dt при выключенном IGBT. Чем выше dVCE/dt, тем уже RBSOA. Область безопасной работы при обратном смещении (RBSOA) IGBT изменяется в зависимости от dVCE/dt при выключенном IGBT. Чем выше dVCE/dt, тем уже RBSOA.  

2. Управление IGBT-модулем для транспортного средства 

2.1 Влияние сопротивления сети 

Модуль IGBT представляет собой устройство с изолированным затвором. Перемычка затвор-эмиттер (или затвор-исток) IGBT имеет ёмкостную структуру, и паразитная индуктивность в цепи затвора неизбежна. При отсутствии резистора в цепи затвора в цепи затвора будут возникать сильные колебания под действием управляющего импульса драйвера, поэтому для быстрого ослабления колебаний необходимо последовательное включение резистора. 

Процесс включения и выключения IGBT в основном представляет собой процесс зарядки и разрядки паразитной емкости или индуктивности, которые являются реактивными компонентами. При отсутствии сопротивления затвора большая часть мощности управления будет потребляться выходной лампой внутри драйвера, что значительно повысит его температуру. В то же время, резистор затвора также может регулировать скорость включения-выключения силового коммутационного устройства, но слишком высокая скорость управления значительно увеличит скорость изменения напряжения и тока коммутационного устройства, а также импульсное напряжение и ток, переносимые IGBT. В реальных условиях транспортного средства лучше всего использовать безындукционный резистор. Если это общий резистор, его можно заменить несколькими резисторами, включенными параллельно. С одной стороны, это может уменьшить индуктивность контура и ее влияние на форму сигнала управляющего напряжения; с другой стороны, несколько резисторов могут совместно использовать управляющий ток, что способствует улучшению теплопроводности. Повреждение одного резистора приведет к повреждению системы. 

При управлении IGBT помеховый сигнал приведет к разрушению сигнала затвора, что приведет к большому перенапряжению обратного восстановления. Когда генерируется очень короткий блокирующий импульс относительно VGE IGBT, обратный диод на стороне ответвления IGBT включается и переходит в состояние обратного восстановления за очень короткое время. Во время процесса обратного восстановления он переходит в состояние обратного восстановления только после полного накопления носителей. В это время, если есть узкий помеховый импульс, быстрый обратный диод переходит в состояние обратного восстановления до полного накопления носителей, и обедненный слой быстро расширяется, что заставляет его создавать сильные DI/DT и DV/DT. Во время обратного восстановления узкого импульса между GE IGBT будет генерироваться большое перенапряжение обратного восстановления. В это время перенапряжение можно уменьшить, увеличив входное сопротивление затвора RG, ​​уменьшив индуктивность входной цепи, усилив буферную цепь и добавив схему фиксации.  

2.2 Схема управления воротами 

Поскольку характеристики переключения и безопасная рабочая область IGBT изменяются при изменении схемы управления затвором, производительность схемы управления будет напрямую влиять на нормальную работу IGBT. 

为使 IGBT 能可靠工作。 

Схема управления должна обеспечивать правильное прямое напряжение затвора IGBT. 

После включения IGBT. 

Напряжение и ток возбуждения, подаваемые схемой возбуждения на IGBT, должны иметь достаточную амплитуду для поддержания выходного каскада мощности IGBT в состоянии насыщения. 

При кратковременной перегрузке модуля мощность возбуждения, обеспечиваемая схемой управления затвором, должна быть достаточной для того, чтобы IGBT не вышел из области насыщения. 

Падение напряжения на IGBT после перехода в режим проводимости связано с приложенным напряжением VGE. При постоянном токе ICE чем выше VGE, тем ниже значение VCE и тем меньше потери проводимости устройства, что позволяет полностью раскрыть его рабочий потенциал. 

Однако напряжение VGE не является максимально высоким. Как правило, оно не должно превышать 20 В, поскольку при возникновении перегрузки по току или короткого замыкания чем выше напряжение на затворе, тем больше амплитуда тока и тем выше вероятность повреждения IGBT. 

Обычно +15 В подходит для комплексного рассмотрения. 

Предельное напряжение затвора IGBT обычно составляет +20 В, и если управляющий сигнал превышает этот диапазон, затвор может быть поврежден. 

Следовательно, между управляющей схемой и затвором должна быть схема ограничения напряжения, чтобы защитить затвор от пробоя, когда напряжение на затворе слишком велико. 

Контроллер двигателя электромобиля управляется трёхфазной мостовой схемой, и для управления трёхфазным мостом в режиме ШИМ требуется шесть групп IGBT. Каждый модуль IGBT требует источника питания, изолированного от других модулей. 

Чтобы улучшить интеграцию и снизить стоимость, микросхемы управления ШИМ, такие как SG3525, часто используются для вывода двухканальных сигналов ШИМ, управления импульсными трансформаторами и создания двухканальных источников питания. Как показано на рисунке 3, U3 на рисунке — это SG3525, монолитный интегрированный чип управления ШИМ с превосходной производительностью, полным набором функций и высокой универсальностью, который выдает два сигнала ШИМ с дополняющими коэффициентами заполнения. Он прост, надежен, удобен и гибок в использовании, а выходной привод является двухтактным, что увеличивает мощность привода. Он содержит внутреннюю схему блокировки минимального напряжения, схему управления плавным пуском и защелку ШИМ. Он имеет функцию защиты от перегрузки по току, регулируемую частоту и может ограничивать максимальный рабочий цикл. Чтобы реализовать изоляцию напряжения, ШИМ-управление работает в состоянии разомкнутого контура. Отрегулируйте коэффициент трансформации импульсного трансформатора ТР20 так, чтобы выходное напряжение его верхней обмотки выпрямлялось выпрямительным мостом, состоящим из Д20, Д21, Д22 и Д23, а +18В пропускалось через регулируемый стабилизатор напряжения U20. 

图3 Источник питания сети 

Когда IGBT выключен, поскольку остальные компоненты схемы продолжают работать, в цепи затвора генерируются высокочастотные сигналы колебаний. Если эти сигналы слабые, IGBT, который должен быть выключен, будет находиться в состоянии микроперехода, что увеличит энергопотребление трубки. 

Цепь питания снова окажется в состоянии короткого замыкания. 

Поэтому схема управления должна быть способна обеспечить достаточное обратное напряжение затвора IGBT во время выключения IGBT. 

Отрегулируйте коэффициент трансформации импульсного трансформатора TR20 таким образом, чтобы выходное напряжение его нижней обмотки выпрямлялось выпрямительным мостом, состоящим из D24, D25, D26 и D27, а напряжение -10 В подавало обратное напряжение затвора на IGBT в выключенном состоянии, что обеспечивает надежное выключение IGBT при наличии на затворе помех переключения. 

2.3 Изоляция и защита въездных ворот 

В крупных транспортных средствах, таких как электробусы, выходная мощность контроллера двигателя велика, и требуемый ток управления также велик. При быстром разгоне или торможении автомобиля мгновенный импульсный ток может достигать нескольких сотен ампер. Для повышения выходной мощности часто используют два модуля IGBT, соединенных параллельно, или же используют мощный IGBT. Как показано на рисунке 4. 

На рисунке входные сигналы PWM1A и PWM1B используются для управления верхним и нижним плечами IGBT-модулей U1 и U2 соответственно. Верхние плечи IGBT-модулей U1 и U2 подключены к выходу схемы тотемного полюса PWM1A, а нижние плечи IGBT-модулей U1 и U2 подключены к выходу схемы тотемного полюса PWM1B. При подаче фронтального сигнала PWM1A оба верхних плеча включаются, а нижние выключаются одновременно; в противном случае нижние плечи включаются, а верхние выключаются одновременно. 

Два модуля IGBT соединены параллельно, что увеличивает выходной ток и мощность модулей IGBT. 

В процессе работы, чтобы предотвратить повреждение IGBT вследствие накопления заряда затвора и скачков напряжения затвор-исток, между G и E можно установить некоторые защитные элементы, как показано на рисунке 5. 

Резисторы R112, R212, R122, R222 используются для разряда накопленного заряда затвора [5]; два стабилитрона D111, D112, D211, D212, D121, D122, D221, D222, соединенных последовательно, чтобы предотвратить повреждение IGBT в результате скачка напряжения затвор-исток. 

DEC1 и DEC2 на рисунке — это сигналы обнаружения неисправности модуля управления M57962L для IGBT. Пройдя через диоды и резисторы, DEC1 подключается к выводу C IGBT, а DEC2 — к выводу E IGBT. 

Рисунок 4. Параллельная выходная цепь IGBT 

Рисунок 5. Изолированная схема управления M57962L. 

Из-за высокого напряжения аккумуляторной батареи электромобиля IGBT работает в условиях высокого напряжения и сильного тока. 

Требуется достаточная электрическая изоляция входов и выходов. 

Схема управления должна быть строго изолирована от всей схемы управления по потенциалу. Специальная схема управления IGBT Mitsubishi M57962L электрически изолирована с помощью быстрой фотоэлектрической связи. Эта толстопленочная схема имеет короткое время задержки передачи сигнала, время задержки перехода сигнала составляет менее 1.5 мкс, а максимальная рабочая частота составляет 20 кГц. В ней используется технология двойного питания, при этом источник питания использует двойное напряжение +15 В/-10 В, что обеспечивает относительно высокое отрицательное напряжение затвора на выходе [6]. 

Как показано на рисунке 5, каждое плечо моста IGBT использует два M57962L, в котором U1 управляет IGBT верхнего плеча моста, а U2 управляет IGBT нижнего плеча моста. DEC1 и DEC2 являются обнаружением сигнала неисправности IGBT на рисунке 4. При обнаружении неисправности M57962L, с одной стороны, отключает IGBT, а с другой стороны, выход сигнала неисправности с вывода 8 M57962L будет изолирован оптопарами PC10 и PC20 и подан обратно в ЦП;. Кроме того, на входном выводе ШИМ M57962L используется схема аппаратной блокировки. Когда входной сигнал одного полумоста находится на высоком уровне, входной сигнал другого полумоста одновременно понижается, чтобы предотвратить явление, когда оба фары дальнего света включаются из-за ненормального входного сигнала. 

Убедитесь, что схема может работать безопасно и надежно. 

3. Защита IGBT для контроллера двигателя транспортного средства

3.1 Защита от перенапряжения и скачков напряжения IGBT для контроллера двигателя транспортного средства 

Когда используется контроллер двигателя электромобиля, из-за частого ускорения торможения, когда электромобиль выполняет торможение с обратной связью, двигатель переходит в состояние выработки электроэнергии, и энергия, подаваемая в шину постоянного тока, является относительно большой. 

В этот момент на напряжение на шине постоянного тока электромобиля накладывается напряжение обратной связи, генерируемое при торможении с обратной связью, в дополнение к напряжению, обеспечиваемому силовой батареей. После проведения реальных испытаний, при напряжении на шине постоянного тока 538 В, максимальное пиковое напряжение превышает 800 В. Одновременно с этим, коллекторный di/dt также создаёт высокоамплитудное перенапряжение на распределённой индуктивности основной цепи во время выключения IGBT и обратного восстановления подключённого к нему обратного диода. 

Установившееся перенапряжение обнаруживается соответствующей аппаратной схемой, защищённой центральным процессором управления. В случае кратковременного пульсирующего перенапряжения постоянного тока конденсатор звена постоянного тока используется для поглощения напряжения, а внутренняя RC-цепь или RCD-цепь для буферизации и защиты основной цепи IGBT. 

DC-Link имеет низкий ESL, высокое импульсное напряжение (максимальное напряжение 1200 В) и высокий ток пульсаций. IGBT работает в режиме ШИМ, поэтому система должна обеспечивать значительный ток пульсаций. DC-Link может обеспечить ток пульсаций с эффективным значением более 40 А. 

На него не влияет перенапряжение, возникающее во время переключения, чтобы гарантировать, что колебания напряжения на шине постоянного тока остаются в допустимом диапазоне. И на него не влияет перенапряжение, возникающее во время переключения, чтобы гарантировать, что колебания напряжения на шине постоянного тока остаются в пределах допустимого диапазона. остается в пределах допустимого.  

3.2 Применение IGBT в контроллере двигателя транспортного средства 

В условиях практического применения электромобилей, ввиду высокой мощности двигателя, переходный ток IGBT может достигать более 700 А. Мы используем два транзистора 2MBI450VN-120-50IGBT компании Fuji для параллельного выхода (характеристики этих IGBT приведены в таблице 1), благодаря чему выходной ток параллельного IGBT может достигать около 900 А, что соответствует требованиям к току транспортного средства. Электрические характеристики транзистора 2MBI450VN приведены в таблице 1. 

Чтобы избежать влияния паразитной распределённой ёмкости на схему управления затвором IGBT, мы привариваем плату управления непосредственно к входным выводам двух IGBT-модулей, а деосцилляторную ёмкость и двунаправленную ограничительную цепь подключаем параллельно к входным выводам затвора. В случае короткого замыкания IGBT может быть эффективно защищён, если его вовремя отключить. 

Одним из способов определения наличия перегрузки по току в IGBT является измерение падения напряжения VCE на его трубке. 

Если при включении IGBT напряжение VCE слишком велико, произойдет короткое замыкание, и IGBT следует немедленно отключить. 

При выключении IGBT из-за перегрузки по току, из-за большой амплитуды тока в IGBT, если IGBT выключается быстро, Ldi/dt будет слишком высоким, и на обоих концах IGBT возникнет высокое пиковое напряжение, которое легко повредит IGBT, поэтому применяется метод «мягкого медленного выключения». 

Схема управления M57962L разработана в соответствии с вышеизложенной теорией. 

При перегрузке или коротком замыкании IGBT коллекторный потенциал IGBT повышается, и ток, протекающий через внешний диод в схему обнаружения, увеличивается. Схема запирания затвора отключает сигнал управления затвором IGBT, одновременно с этим на выводе «8» выводится низкоуровневый сигнал «перегрузка/короткое замыкание». 

На рис. 7 показаны осциллограммы напряжения и тока при включении и выключении IGBT. Из рисунка видно, что с увеличением напряжения на затворе ток C-полюса увеличивается, а напряжение VCE падает. При выключении IGBT напряжение на затворе отрицательно, ток C-полюса уменьшается, а напряжение VCE возрастает до напряжения источника питания. 

Рисунок 7 Диаграмма формы напряжения и тока выключения IGBT 

4. вывод 

В данной статье на основе практического применения излагается идея проектирования схемы управления модулем IGBT контроллера двигателя электромобиля, обобщаются характеристики модуля IGBT, конструкция и защита схемы управления затвором, проблемы и методы защиты по току, напряжению и температуре модуля IGBT в нормальном режиме работы, а также приводится соответствующий принцип проектирования и схема проверки. 

Реальная проверка доказывает, что данная схема надежна, практична, безопасна, может широко использоваться при проектировании контроллеров двигателей различных крупногабаритных электромобилей и имеет большую перспективу применения. 

[Рекомендации] 

[1] Ван Инли, Ду Мин и др. извлекают паразитные параметры соединительных проводов в модулях IGBT [J] Chemical Automation and Instrument 2014, 41 (4) 419-422 

[2] Код для проектирования драйвера затвора IGBT [N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3] Руководство по применению модулей IGBT компании Fuji Electric Co., Ltd.[M]. 2011 09 

[4] Влияние паразитной емкости на скорость изменения напряжения коллектора в процессе переключения IGBT (Ху Ман-хун, Ван Я-цюн) [N] Журнал педагогического колледжа Синьсян 2007.9 45-47 

[5] Чжан Цзюнь, Бянь Цин, Проектирование схемы инверторного привода на основе IGBT [J] Автоматизированные технологии и применение 2011.30.3 103-105 

[6] Цзян Вэньцюй Чанмэн Толстоплёночная схема IGBT M57962L [J] Онлайн http://www.paper.eud.cn 

[7] Технология управления и защиты IGBT для контроллера двигателя электромобиля Sunny Yangjiangming [N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html