如何保护汽车逆变器设计中的功率晶体管

尹春贺

摘 要：随着油电混合车和电动车技术的演进，逆变器驱动技术已经深入汽车领域，从空调机和加热系统等低功率应用，到驱动车辆行驶和再生制动系统等高功率应用，所有这些系统的共同点是需要通过保护逆变器中的功率开关晶体管以最大限度地提高工作寿命。

关键词：汽车逆变器；功率晶体管

1 前言

汽车系统中的逆变器为电动机控制电源的关键部件，它可以把相对较低的直流电池电压转换成为交流高电压，其中使用功率开关来调节能量的递送，请参考图1。通过微控制器送出开关信号，并利用隔离门驱动器作为低电压微控制器和高电压功率开关间的接口。许多新形态的功率开关，如碳化硅，都被评估可以使用于汽车逆变器中，但目前最具竞争力的还是IGBT。长久以来，这些功率晶体管已经被广泛应用于高电压和高功率的处理上，但在发展过程中却存在缺点，为了把IGBT的功率损耗降到最低，新一代的IGBT产品寻求降低开关损耗和传导损耗，不过，为了降低传递损耗，通常必须在强固性上做出让步。

2 “防错”保护、避免损坏

降低IGBT下传导损耗通常会引起短路电流的增加，从而缩减短路的存活时间，许多逆变器的内部或外部错误情况会造成逆变器中一个或多个IGBT下短路或类似短路的过载情况，包括相位到相位输出短路、逆变器桥接脚的过冲，以及IGBT低驱动电压。由于IGBT下会因这些错误而受到损坏，因此对于逆变器设计，快速并且可靠的IGBT下短路检测和保护就变得非常重要。

但并非所有这些情况都可以使用相位电流传感器进行检测，一个比较好的替代做法是分别独立检测每个IGBT的负载电流大小。检测负载电流大小有几个方法，如使用分流电阻或射极分离的IGBT，可以产生正比于IGBT负载电流的电压信号，当信号超过设定的阀值大小时就会触发保护机制。不过IGBT下的最大可容忍电流会依采用的工艺、工作温度以及门电压而定，因此在设定负载电流触发阀值时必须留有安全余量，以便限制IGBT的工作范围。

也可以通过监视集电极到发射极的电压（（VCE）来检测IGBT脱离饱和状态的时间，在普通工作情况下IGBT处于饱和模式而VCE低，当发生输出短路或低门极驱动情况时，IGBT会进入线性模式并且VCE上升，造成功率损耗过大引发器件失效，检测这个去饱和（DESAT）情况可以达到和监视输出电流相同的检测结果，也可以监视IGBT真实工作情况，有效降低许多外在因素干扰的优点，带来IGBT更高功率的使用。

和检测错误同等重要的是，逆变器本身设计的错误分辨能力，当检测到错误情况时，极可能有较大的电流经过，如果IGBT关断过于快速，那么快速的电流变化（（di/dt）以及无可避免的连接寄生电感就有可能造成回流EMF超过IGBT的最高电压容忍大小，带来IGBT的损坏并破坏过电流保护机制。这个问题可以通过实现IGBT下的软关断来减轻，利用延长错误发生时的门极放电时间降低电压的变化速度。

错误分辨能力也有着系统的考量，自动错误检测装置可以同时关断所有其他门驱动来实现，另一方面，错误检测也可设计为每个IGBT独立进行错误检测和关断，通常较为适合汽车牵引应用的和缓错误处理和关断策略。自动错误检测也可以包含提供信号给负责管理汽车动力系统的微控制器，带来额外的响应选择。

3 可靠性是基本要求

在汽车系统中实现这些错误检测和IGBT保护电路必须有几个关键点，包括低成本、小尺寸以及强固性。由于汽车应用对于质量和可靠性的期望通常要比其他许多消费类和工业应用高上许多，因此强固性非常重要，进一步说，在更加恶劣的环境，包括极广的工作温度条件以及高幅射和感应电磁噪声下则必须具备更高的可靠性。

高度集成方案，Avago的ACPL-38JT门驱动光电藕合器通过集成去饱合检测和欠压锁定（UVLO，UnderVoltageLockout）电路，以及隔离的错误信号和软关断等多个功能到IGBT门驱动器中满足了所有这些需求。Avago的光隔离功能包括环绕光接收器的透明法拉第屏蔽协助降低电磁噪声藕合，并使用特别设计的LED确保高温条件下的更长工作寿命，内置的保护电路可以节省数个分立器件而降低成本，并通过解决所有错误情况，包括可能破坏功率开关晶体管的低门驱动电压提高系统的可靠性。

在门驱动和IGBT保护电路上使用集成器件，减少了分立器件的隐患节点，有助于提高系统的可靠性，另外，使用集成器件，借助于其完善的测试结果可缩短设计、测试、审核周期。举例来说，ACPL-38JT就依循TS16949和AEC-Q100汽车准则进行生产和测试，工作温度范围达到一40℃到125℃。

4 选择车载逆变器事项

4.1 直流输入电源的选择

必须使用额定输入电压范围内的电瓶或直流稳压电源（推荐为：11一14V），应能提供足够的工作电流（应大于逆变器的额定输入电流值），如300W，12V的逆变器的输入电流应大于25A。如果用直流电源则其稳定性能应优于1%。

4.2 直流接线方法

当用汽车点烟器作为直流输入电源时，切勿将正、负极接反（点烟器的尖端触点为正极，外侧弹簧为负极），为保证接触良好，应将点烟器与点烟器插座插紧。点烟器插头连线要能承受工作电流，并留有余量，长度应方便使用。

电器功率大于150W，一定要用蓄電池夹子直接从蓄电池取电，汽车点烟器插座只能通过10A左右电流，所以大功率的逆变器都必须另配一条蓄电池夹子线从蓄电池直接取电。

注意输出插座形式：要使用国标的插座

4.3 保护功能

在选用车载逆变器时，应考虑其是否具有完善的保护功能。

①欠压保护功能

当输入直流电源电压低于额定的输入电压范围时，蜂鸣器发出报警声，表示蓄电池需要充电。当直流输入电压低于10.5V时，会自动关断输出，蜂鸣器同时报警。

②过压保护功能

当直流输入电源电压超过15.6V时，逆变器将关断输出。

③短路保护功能

当负载发生短路时，输出自动切断，蜂鸣器发出报警声，表示正常输出的指示灯熄灭。

④输入反接保护功能

当直流输入电源电压接反时，将会烧断输入保险丝，此时必须断开直流 电源，更换同型号保险，再正确接入电源，即可使用。

⑤温度保护

当内部温度传感器检测温度超过75℃时，输出会切断，蜂鸣器发出报警声。等逆变器冷却至合适温度后，方可再次启动。

4.4 逆变器的功率选择

大多数电子工具、装置和音像产品均有标注使用电源的功率、电流等参数。车载逆变器的输出功率应大于产品标注的输入功率。有些负载（电视、冰箱等）的启动功率大于标称功率的数倍，在这种情况下，可以（on-off）逆变器以重复起动，如果重复多次都不能起动，就应更换大功率的逆变器。所以，选择车载逆变器的功率时，应考虑负载的启动特性。

4.5 转换效率的选择

对于逆变器来说，转换效率是非常重要的一个指标。逆变效率越高，蓄电池的寿命就越长久，并且逆变器发热越小。一般要求转换效率应达到90%以上。用户可以通过带大功率的负载，从逆变器的发热量来简单地判别转换效率的高低。逆变器应金属外壳，便于散热，应当在带标称功率80%的负载时能够长时间工作而不发烫。

5 结束语

随着高功率电气系统在汽车设计中的角色愈加重要，“防错”设计成为确保长时间工作寿命的必备条件，在逆变器设计中的功率开关使用同时提供有检测和响应机制的集成方案，可以通过紧凑、低成本并且高可靠性的方式满足这个需求。

参考文献

[1]具备非线性负载控制的准Z源逆变器控制策略[J].郭亮，王维庆，孙向东，刘咏妮.电力电子技术.2017（01）

[2]光伏逆变器的低电压穿越特性分析与参数测试方法[J].葛路明，曲立楠，陈宁，朱凌志，张磊.电力系统自动化.2018（18）

[9]微网逆变器的分层控制策略分析[J].魏桂林，胥飞.机电信息.2018（24）