1.介紹 

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型電晶體是由BJT（雙極型電晶體）和MOS（絕緣柵場效電晶體）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體元件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降的優點。 

IGBT綜合了以上兩種裝置的優點，驅動功率較低，飽和壓降降低。 

它已成為功率半導體裝置發展的主流，廣泛應用於風電、光伏、電動車、智慧電網等產業。 

在電動車產業中，IGBT廣泛應用於馬達控制器、輔助電源系統、電動空調等，其中高功率IGBT多用於馬達控制器。由於電動車馬達控制器的工作環境幹擾較大，IGBT閘極分佈電容、實際開關管內的米勒效應等寄生參數直接影響驅動電路的可靠性[1]。 

馬達使用時，應在過流、短路、過壓等情況下對IGBT進行妥善保護。 

過流會導致馬達控制器溫度升高，可透過溫度感測器檢測，並採用相應電路進行保護。過壓一般發生在IGBT關閉時，較大的di/dt會在寄生電感上產生較高的電壓，可以透過使用緩衝電路或適當降低開關速率來箝位。 

短路發生後，瞬間會產生巨大的電流，很快就會損壞IGBT，主控板的過電流保護來不及，必須由硬體電路控制驅動電路才能瞬間保護。 

因此，在驅動程式設計過程中，保護功能是否完善對於系統的安全運作尤其重要。 

1. IGBT模組特性 

1.1 開關特性 

IGBT的開關特性如圖1所示。當IGBT模組關閉時，VCE會因漏感[2]的存在而產生峰值高壓，該電壓會隨著dv/dt的變化而改變。由於開關時間會隨著集電極電流、接面和閘極電阻（Rg）的變化而變化，如果開關時間變長，閘極電阻變大，可能會因死區時間不足而出現橋臂直通現象，從而損壞IGBT。  

同時，開關管導通或關斷時會產生開關損耗，而此特性會隨著結溫和驅動電阻的變化而改變。其中，Rg的選擇至關重要。 Rg過大，會減慢IGBT的開關速度，可以明顯降低開關過壓尖峰，但開關損耗也會相應增大，從而增加IGBT的發熱量。相反，Rg過小時，可能會出現尖峰電壓過高（=Ls X dIc/dt）。 

1.2 電容特性 

如下圖2所示，CGC、CGE、CCE為IGBT電極間寄生電容，Cies為輸入電容，Coes為輸出電容，Cres為反向導通電容[4]。 

圖2 IGBT電極間的寄生電容 

從圖2可以看出，等效輸出電容Coes可以為IGBT的C極提供另一通路，因此會影響IGBT集電極電壓的變化。當IGBT關閉時，負載電流會對Coes充電，此時IGBT集極電壓的變化率取決於負載電流的充電速度。由於Coes的容量很小，在大電流的情況下，其影響可以忽略不計。當負載電流較小時，IGBT集極電壓會明顯改變。 

IGBT的開通和關斷過程可以等效為寄生電容（集電極等效輸出電容）的充電和放電過程。 

集極電流和開關速度都會影響集極電壓的變化率，當IGBT電流較小時，集極電壓的dv/dt較小；反之，當電流較大時，集極電壓的dv/dt較大。 

IGBT的上下橋臂中，當一個橋臂導通，另一個橋臂關閉時，關斷橋臂的IGBT和續流二極管上將產生一個dVce/dt電壓變化，並在該橋臂IGBT的集電極與閘極之間產生一個充電電流iCG，該電流通過寄生電流電容CGC、CGE進行充電。此時，如果VGE高於IGBT導通電壓，則該橋臂可能會被導通，導致IGBT損壞。 

1.3 安全操作區域 

安全工作區（SOA）反映了電晶體同時承受一定電壓和電流的能力。 

IGBT導通時的正向偏壓安全工作區（FBSOA）受到電流、電壓、功耗三個邊界邊界值所包圍。 

設定最大集極電流Icm是為了避免動態鎖定，最大集極-射極電壓Ucem由IGBT中電晶體的擊穿電壓決定，最大功耗由最大允許結溫決定。 

傳導時間越長，發熱越嚴重，安全工作區域越窄。 

IGBT 的反向偏壓安全工作區 (RBSOA) 隨 IGBT 關閉時的 dVCE/dt 而變化。 dVCE/dt 越大，RBSOA 越窄。 IGBT 的反向偏壓安全工作區 (RBSOA) 隨 IGBT 關閉時的 dVCE/dt 而變化。 dVCE/dt 越大，RBSOA 越窄。  

2.車用IGBT模組的驅動 

2.1 電網電阻的影響 

IGBT模組為絕緣柵元件。 IGBT的閘極-射極（或稱閘極-源極）具有容性結構，閘極電路的寄生電感不可避免。如果沒有閘極電阻，閘極電路在驅動器驅動脈衝的激勵下會產生強烈的振盪，因此需要串聯一個電阻來快速衰減。 

IGBT的開通和關斷過程主要是寄生電容或電感的充放電過程，這些元件都是電抗元件。如果沒有閘極電阻，驅動功率大部分會消耗在驅動器內部的輸出管上，其溫升會比較高。同時，閘極電阻也能調節功率開關元件的通斷速度，但過快的驅動速度會大幅增加開關元件電壓和電流的變化率，IGBT承受的突波電壓和電流也會增加。在實際車輛環境中，最好使用無感電阻。如果是普通電阻，可以用幾個電阻並聯來代替。一方面，可以減少環路電感，減少其對驅動電壓波形的影響；另一方面，多個電阻可以分擔驅動電流，有助於增強熱擴散。單一電阻損壞，會損壞系統。 

IGBT驅動時，幹擾訊號會導致閘極訊號被破壞，產生很大的反向恢復突波電壓。當產生一個相對於IGBT的VGE很短的阻斷脈衝時，IGBT分支側的續流二極體導通，IGBT在很短的時間內進入反向恢復狀態。在反向恢復過程中，IGBT要等到載子完全累積後才會進入反向恢復狀態。此時，如果出現一個窄幹擾脈衝，快速續流二極體在載子完全累積之前就進入反向恢復狀態，耗盡層迅速擴展，使其產生很強的DI/DT和DV/DT。在窄脈衝反向恢復過程中，IGBT的GE之間會產生很高的反向恢復突波電壓。此時，可透過增大閘極輸入電阻RG、減少輸入電路電感、強化緩衝電路、增加箝位電路等方法來降低突波電壓。  

2.2 閘極驅動電路 

由於IGBT的開關特性和安全工作區會隨著閘極驅動電路的變化而變化，因此驅動電路的效能將直接影響IGBT的正常運作。 

為使IGBT能夠可靠工作。 

驅動電路應提供IGBT適當的正向閘極電壓。 

IGBT導通後。 

驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和驅動電流應具有足夠的振幅，以保持IGBT的功率輸出級處於飽和狀態。 

當模組瞬時過載時，閘極驅動電路提供的驅動功率應足夠保證IGBT不退出飽和區。 

IGBT導通後的壓降與所加的VGE電壓有關，當ICE電流一定時，VGE越高，VCE值越低，裝置的導通損耗越小，有利於充分發揮電晶體的工作能力。 

但VGE也不是越高越好，一般不允許超過20V，因為一旦發生過流或短路，閘極電壓越高，電流幅值越大，IGBT損壞的可能性就越大。 

綜合考慮，通常以+15V為宜。 

IGBT的閘極限制電壓一般為+20V，若驅動訊號超出此範圍，可能會損壞閘極。 

因此，驅動電路與閘極之間應有限壓電路，以保護閘極在閘極電壓過高時不被擊穿。 

電動車馬達控制器採用三相全橋驅動，需要六組IGBT驅動三相橋臂工作在PWM狀態，每個IGBT模組需要一個與其他模組隔離的電源。 

為了提高整合度、降低成本，常採用SG3525等PWM控制晶片輸出雙通道PWM訊號，驅動脈衝變壓器，產生雙通道電源。如圖3所示，圖中U3為SG3525，是一款效能優良、功能齊全、通用性強的單晶片整合PWM控制晶片，輸出兩路佔空比互補的PWM訊號。使用簡單可靠、方便靈活，輸出驅動為推挽輸出，增加了驅動能力。它內部包含欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路和PWM鎖存器。具有過流保護功能，頻率可調，並可限制最大佔空比。為了實現電壓隔離，PWM控制工作在開環狀態。調節脈衝變壓器TR20的匝數比，使其上繞組的輸出電壓經D20、D21、D22、D23組成的整流橋整流，+18V經過可調穩壓器U20。 

圖3 併網驅動電源 

IGBT關閉時，由於電路其他部分仍在工作，閘電路中會產生一些高頻振盪訊號，如果這些訊號較輕，會使本應關閉的IGBT處於微通狀態，增加管子的功耗。 

供電電路將再次處於短路狀態。 

因此，驅動電路應能在IGBT關閉時向IGBT提供足夠的反向閘極電壓。 

調整脈衝變壓器TR20的匝數比，使其下繞組輸出電壓經D24、D25、D26、D27組成的整流橋整流後，-10V電壓對處於關斷狀態的IGBT施加反向閘極電壓，保證了IGBT在閘極有開關雜訊時仍能可靠關閉。 

2.3 驅動門的隔離與保護 

在電動客車等大型車輛中，馬達控制器的輸出功率較大，所需的驅動電流也較大。車輛急加速或急煞車時，瞬間衝擊電流可達數百安培。為了提高輸出功率，通常採用兩個IGBT模組並聯或採用高功率IGBT。如圖4所示。 

圖中，輸入訊號PWM1A和PWM1B分別用於驅動IGBT模組U1和U2的上臂和下臂。 IGBT模組U1和U2的上臂連接到PWM1A的圖騰柱電路輸出端，IGBT模組U1和U2的下臂連接到PWM1B的圖騰柱電路輸出端。當輸入前置訊號PWM1A時，兩個上臂導通，同時下臂關斷；反之，下臂導通，同時上臂關斷。 

將兩個IGBT模組並聯，增加了IGBT模組的輸出電流和功率。 

工作過程中，為了防止閘極電荷累積及閘極源電壓尖峰損壞IGBT，可在G、E之間設定一些保護元件，如圖5所示。 

電阻R112、R212、R122、R222用於釋放閘極累積的電荷[5]；兩個齊納二極體D111、D112、D211、D212、D121、D122、D221、D222聯串連接，以防止閘極源電壓損壞IGBT。 

圖中的DEC1、DEC2為驅動模組M57962L對IGBT的故障偵測訊號，經二極體、電阻後，DEC1接IGBT的C端，DEC2接IGBT的E端。 

圖4 並聯IGBT輸出電路 

圖5 M57962L隔離驅動電路 

由於電動車動力電池電壓較高，導致IGBT工作在高電壓、大電流的場合。 

需要足夠的輸入和輸出電氣隔離能力。 

驅動電路應與整個控制電路嚴格電位隔離。三菱M57962L專用IGBT驅動電路採用快速光電耦合器進行電氣隔離。此厚膜電路訊號傳輸延遲短，訊號跳變延時小於1.5us，最高工作頻率為20KHz。採用雙電源驅動技術，電源供應器採用+15V/-10V雙倍電壓供電，使輸出的閘極負電壓較高[6]。 

如圖5所示，每個IGBT橋臂採用兩片M57962L，其中U1驅動上橋臂的IGBT，U2驅動下橋臂的IGBT。圖1中DEC2和DEC4為IGBT故障訊號偵測。當偵測到故障時，M57962L一方面關斷IGBT，另一方面M8L的57962腳輸出的故障訊號經光耦PC10和PC20隔離​​後回授給CPU；另外，M57962L的PWM輸入端採用了硬體互鎖電路，當一個半橋的輸入訊號為高電位光時，另一個半橋的訊號 

確保電路能夠安全可靠地運作。 

3.汽車馬達控制器IGBT的保護

3.1 汽車馬達控制器IGBT的過壓及突波保護 

電動車的電機控制器在使用時，由於頻繁加速制動，當電動車進行反饋制動時，電機轉入發電狀態，饋入直流母線的能量較大。 

此時電動車直流母線上的電壓除了動力電池提供的部分外，還疊加了回饋煞車時產生的回饋電壓。經實際測試，直流母線電壓為538V時，最大峰值電壓超過800V。同時，在IGBT關斷和與其連接的續流二極體反向恢復過程中，集電極di/dt也會在主電路分佈電感上產生高幅值過電壓。 

穩態過壓由相應的硬體電路檢測，並由主控CPU進行保護。當發生瞬態脈動直流過壓時，採用DC-Link電容吸收電壓，並利用內部RC或RCD吸收網路對IGBT主電路進行緩衝保護。 

DC-Link 具有低 ESL、高突波電壓（最高可達 1200V）和高漣波電流的特性。 IGBT 工作在 PWM 狀態，因此系統需要能夠提供相當大的漣波電流。 DC-Link 可以提供有效值超過 40A 的漣波電流。 

並且不受投切時產生的過電壓的影響，從而保證直流母線的電壓波動保持在允許的範圍內。的範圍內。  

3.2 IGBT在車輛馬達控制器的應用 

在電動車實際應用環境中，由於馬達功率較大，IGBT的瞬態突波電流可能達到700A以上。我們採用兩間富士公司的2MBI450VN-120-50IGBT進行並聯輸出（此IGBT的特性參數如表1所示），這樣並聯IGBT的輸出電流可達900A左右，可以滿足整車電流的要求。 2MBI450VN的電氣特性參數如表1所示。 

為了避免雜散分佈電容對IGBT閘極驅動電路的干擾，我們將驅動電路板直接焊接在兩個IGBT模組的輸入引腳上，並在閘極輸入端並聯了消振電容和雙向限流電路。如果IGBT遭受短路電流，能夠及時關斷，就能得到有效的保護。 

辨別IGBT是否過流的方法之一是偵測其管子的壓降VCE。 

IGBT導通時，若VCE過高，將產生短路，應立即關閉IGBT。 

當IGBT過流關斷時，由於IGBT內電流幅值很大，如果快速關閉IGBT，將導致Ldi/dt過高，在IGBT兩端產生很高的尖峰電壓，容易損壞IGBT，因此產生了「軟慢關斷」方法。 

M57962L驅動電路就是根據上述理論設計的。 

當IGBT發生過載或短路時，IGBT的集極電位上升，經外接二極體流入檢測電路的電流增大，閘極關斷電路動作，切斷IGBT的閘極驅動訊號，同時在「8」腳輸出低電平的「過載/短路」指示訊號。 

圖7為IGBT導通與關斷時的電壓、電流波形。從圖中可以看出，隨著閘極電壓的升高，其C極電流上升，VCE電壓下降。當IGBT關閉時，閘極電壓為負，C極電流下降，VCE電壓上升至電源電壓。 

圖7 IGBT關斷電壓及電流波形圖 

4。 

本文結合實際應用，闡述了電動車馬達控制器IGBT模組驅動電路的設計思路，​​總結了IGBT模組的特點、閘極驅動電路的設計與保護、IGBT模組在正常運作中的電流、電壓、溫度保護等問題及保護方法，並給出了相應的設計原理和驗證方案。 

實際驗證證明，該電路可靠、實用、安全，可廣泛應用於各種大型電動車馬達控制器的設計，具有很大的應用前景。 

[參考] 

[1] 王英麗，杜明，等. IGBT模組鍵合線寄生參數提取[J] 化學自動化與儀表 2014，41（4） 419-422 

[2] IGBT閘極驅動設計代碼[N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3]富士電機株式會社IGBT模組應用手冊[M].2011年09月 

[4] 胡滿紅,王雅瓊.寄生電容對IGBT開關過程中集電極電壓變化率的影響[N]新鄉師範學院學報2007.9 45-47 

[5]張俊,卞慶,基於IGBT的逆變器驅動電路設計[J]自動化技術與應用2011.30.3 103-105 

[6] 蔣文曲. 常猛. IGBT厚膜電路M57962L[J]. 論文在線 http://www.paper.eud.cn 

[7] 陽光陽江明電動車馬達控制器IGBT驅動與保護技術[N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html