电力电子器件IGBT在新能源汽车中的选用与保护

王东旭，赵雅芸，马继晶

（酒泉职业技术学院，甘肃酒泉，735000）

0 引言

当代社会的发展给自然环境带来了严峻的挑战，能源危机、环境污染和气候变化越来越被全世界的人们所关注着。二氧化碳排放量持续增长的中国也特别地关注再生能源的发掘，自从我国在二十一世纪初制定了相关能源的法律，首先产生显著变化的是汽车领域，我国是世界上率先进行大规模新能源汽车推行工作的发展中国家，由于我们的先发优势、劳动力充足的优势以及市场规模庞大等优势，我国的新能源汽车具备较大竞争力的。于此同时，采取新能源的发电技术越来越多，在推动了电力电子技术的发展与运用的同时，也促成了电力电子器件的庞大市场。

伴随着电力电子技术的发展，越来越多的新型电力半导体设施不断涌现，并不断改革进步，该技术分为传统电力电子技术和现代电力电子技术。本文研究的重点是IGBT这种绝缘栅双极型晶体管，IGBT是在二十世纪九十年代初期开始使用的新兴复合功率开关器件，它是全控性自关断器件，它在新能源汽车领域的使用与保护使得电力电子器件的发展进入新阶段，同时给新能源带来了新的发展机遇。

1 电力电子器件分类

1.1 根据器件被控程度分类

依据器件可以操控的程度，将其分成三种类型。

第一种为可控性器件。此类器件通常为两端器件，一端是阳极，另一端则是负极。它和电子线路里的二极管有一个相同点——单边导电的性质。此类器件的电源开关的实际操作只是通过它在主电源电路里增加给阳阴两端的工作电压及其根据它的电流量决定的，将它接入的是正向性的工作电压，将其关掉的是负向性的工作电压，需要留意的是，其工作的电流方向是单向性的。不可控性器件在操纵电流量的接入与关闭时，是不可以根据操纵数据信号来实现操作的，这类元器件的典型性意味着便是输出功率二极管。

第二种是半控性器件。此类器件一般归属于三端器件，它一样具备单边导电性，但它与前一种元器件的差别是：器件除开阳、阴两端以外，还附加了一个控制门极。它在运作时除开必须在阳、阴两端之间增加正方向性的电压，与此同时还务必在控制门极与阴极之间增加正方向性的工作电压。控制门极和阴极之间的电压只有把控它接入的情况下，而不可以把控它的关闭，决定器件关闭的是它在主电源电路中增加的工作电压和电流量。这类器件的典型是晶闸管与它绝大多数的派生器件。

第三种是全控性器件。它和第二种器件有一个相似点，都是有控制端的三端器件，其可以控制它的连接与关闭。这种类型的器件就有很多，比如功率场效应晶体管(功率MOSFET)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。现阶段最常被用到的是功率MOSFET和IGBT。

1.2 根据控制信号的性质分类

根据控制信号所属的性质分类，可以分为两种类型：电压驱动型器件与电流驱动型器件。

第一种通过增加在控制端与公共端之间的电压来达到对器件开关操纵的效果，此类器件还被称作电压控制型器件。

第二种的控制驱动信号也是加进器件控制端与公共端两者之间，其运用从控制端引入或抽出电流以实现器件接入或关闭的目的，此类器件还被称作电流量操纵型器件。

1.3 根据参与导电情况分类

依据器件内部的电子和空穴这二个载流子参加导电的状况来归类，能够分成三种。

第一种被称作单极型器件，其只有一种载流子参加导电；第二种被称作双极型器件，它由两类载流子参加导电的器件；第三种被称作复合型器件，这类器件是由前两者混和构成的。

在以上分类中，典型的电力电子器件见表1。

表1 典型电力电子器件基础信息

2 器件耐压选择

在一些功率较大的开关电路设施中，IGBT有着驱动电路操纵方式简单、应用频率高及其容积稍大的优势，它已经逐渐替代了可关断晶闸管的应用。在开展实际应用的情况下，必须将器件在哪一种静态、动态性或是负载短路故障的运作情况列入考虑范围，而且适当的挑选主要参数。相关IGBT电路及符号图片如所示1所显示。

图1 IGBT等效电路和图形符号

通常来讲，新能源汽车的蓄电池组电压为300伏特，在给汽车的蓄电池组充电时，它的最大电压可以超过360V，然而在再生充电的过程中，蓄电池的电压在很大几率上会增到到390V以上。所以在选择额定电压的时候，主要纳入考虑的是充电结束后的电压值以及蓄电池允许的最大电压值。因此，电力电子器件的额定电压通常选用600V的。器件的额定电流主要由电机的输出功率和器件并联数目决定。

大部分IGBT在单相或三相整流后的母线电压下工作，母线电压是直流电。需要考虑过载、电网波动及开关引起的电压最高值。通常会选择IGBT的耐压值是母线电压的两倍。倘若在应用时，其结构、布线以及吸收等设计过程比较顺畅，那么使用耐压性低的IGBT是可以适应母线电压的。其耐压选择就是:单相交流小于或等于230VAC，整流直流电源为350伏特，器件耐压600伏特；三相交流为380至460VAC，整流直流电源600伏特，其最高可达900伏特，选择器件耐压为1200伏特。

当下，IGBT最大容量的分立元是3300V/1200A，其工作频率为20千赫兹。IGBT集成模块的两个单元部分的最大容量是600V／600A，六单元的最大容量是600V／200A。

3 IGBT在新能源汽车中的选用

3.1 IGBT栅极与发射极电压的确定

如果所加驱动电压不够满足需要，那么IGBT是不能正常平稳的运行的；如果所加驱动电压偏高，远远大于UGE之间的耐压值，那么就会给IGBT带来永久性的损害。因此在选用驱动维护电路的时候，务必斟酌电压的范围。

因为IGBT输入电容CIES比MOSFET较大（CIES=CCG+CGE，意为在C-E发生电路短路的状态下，CCG和CGE的并联值），所以在电子器件未接通的时候，需施加负偏压，这个偏压的数值在-5到-10伏特为最佳；而在开通的时候，器件的驱动电压为15V到16.5V或者13.5V到15V位最佳电压数值。是由于器件的驱动电压为15伏特时能使IGBT处于饱和的工作状态，而且这个时候的通态压降也是不高的，同时还能对操纵短路电流和因其产生的应力起到限制。若器件的驱动电压值小于12伏特，那对器件的通态伤害是很大的，还容易造成IGBT变成电压驱动不足的情况；若UGE的数值大于20 V，对电路的短路保护以及过电流都难实现预期的效果，会让IGBT的可靠运行受到影响。当靠近IGBT的G- E之间增加双16伏特至18 伏特的稳压管，可以确保IGBT的UGE驱动电压是可靠的，如下图2中所示。

3.2 IGBT栅极与发射极并接电阻R1

在IGBT栅极与发射极呈现开路时，在IGBT的集电极和发射极两端之间增加电压，由于此器件是MOS栅器件，有着特征电容CRES反转电容的情况存在，即CRES=CGC，随着集电极电位的变化，会出现栅极电位上升的情况，进而使得IGB的dU/dt被开通，而C- E之间有电流经过。若集电极和发射极都处在高压的状态，那么就很有可能使 IGBT发热甚至产生损害。为了规避这种现象的产生，就应在G- E之间并联一个几十千欧的电阻R1，如上图2。这个电阻安装的位置应该尽可能的离栅极和发射极近一点。

图2 IGBT栅极驱动保护电路图

3.3 栅极驱动电阻R的选择

制作IGBT驱动电路时，选择合适的栅极驱动电阻是相当重要的。电阻R与IGBT的动态特征有着很紧密的联系，是因为IGBT的接通与关闭是通过栅极电路的充电和放电实现的，因此。存在差异的栅极电阻是能让输入电容的充、放电时间产生变化的，运用电阻R来使IGBT的关闭速度发生变化，进而对它的动态性能产生影响。

电阻R的数值越小，栅电容充、放电所消耗的时间就会缩短，它开关的速度也会比较快，那么相对应的开关所带来的消耗就很低了。但若是出现了电路短路的现象，增加在反转电容上的du/dt能使栅极电路有电流通过，如果通过的电流够大时，会在栅极电阻上产生一定的电压，会导致IGBT错误接通的严重后果，或是在栅极驱动的电路上发生振荡，同时导致器件发生损害。如果电阻R比较小，在一定情况下会造成IGBT接通di/dt变大的问题，致使du/dt较高。使得续流二极管处在恢复阶段的电压上升。反之电阻R若是较大，就会导致IGBT接通与关闭的速度，从而使开关的耗能变多，因此在选用电阻R的时是需要折中思考的。

有关电阻R的选用，第一步是需要靠IGBT栅极驱动电阻的推荐数值来选择运用，在一般情况下，需要通过器件的额定电压来确定具体的型号，进一步决定电阻R的选用区间，在选用的过程中，电阻R能够在大于其范围值的一到十倍以内调整，这样可以减少振荡。器件处于低频使用的状态时，它的开关损害不能够成为一个关键思考问题，可以选择在合适的程度上提高电阻R的数值以此来降低瞬间产生的电压值，降低发生损害的可能性。

3.4 栅极驱动布线

在栅极驱动电路中实施恰当的布局，这对降低噪声损害、预防潜在的干扰以及降低驱动电路保护的动作次数有着紧密的联系，所以在驱动电路布线的时候应该思考以下四个方面。

在设计驱动电路的连线时需要尽可能的使用短线。因为最优办法是把驱动电路与吸收电路装置在相同的PCB板上，再装置上IGBT器件。

若是装置在相同的一个PCB板上无法实现的话，那么为了预防主电路、驱动电路以及控制电路的互相影响，在一般情况下，驱动的连线使用的是大于或等于2r/cm的双绞线，同时被放置适合的栅极驱动电路板或者屏蔽驱动电路。

由于寄生电容的存在耦合du/dt会出现一些干扰，为了防止高端和低端回路的发生，在进行布线的时候需要尽可能的降低寄生电容的数值。

使用使用光耦隔离控制与高频驱动信号的时候，应选择共模抑制比大于10kV/μs的高速光耦。如上图2中V1、V2为驱动功率推挽扩大，通过高速光耦隔离后的信号通过V1、V2推挽扩大。

3.5 IGBT器件防静电

IGBT器件是功率MOSFET与PNP双极晶体管的结合体，所以对静电压有着极其敏感的反应，特别是对栅极为MOS结构的。如果有用手触碰IGBT器件的必要，那么在触碰之前，应把人体的静电进行放电以后，再进行相关触碰工作，特别是在触碰器件的驱动端子部分。除此之外还需要注意，由IGBT器件组成的电源设施必须拥有稳当的接地办法。

同时，应注意环境湿度会对积累静电和静电的消除有影响。湿度处在低水平时，静电就处于较高水平；反之，湿度处在较高水平时，静电就是较低水平。因此，为了优化材料的电导率，涂上防静电涂料是一个很好的办法，这对静电荷的散放有着很好效果，能够快速地除去材料表面附着的静电荷。如果属于静电敏感型的电力电子器件就不应该在使用时间之前拿出原封装，并且要注意进行正确地操作，尽量做到不触碰到静电敏感型器件管腿。

4 结论

综上所述，随着电力电子器件的运用和发展，特别是IGBT在各种不同领域的接合与使用，这都给器件的发展带来新的机会与挑战。在选择使用IGBT时，不仅要考虑它的类型与特点是否适合运用在某种条件下，还需要考虑它的耐压性等因素。在实际运用时，还应该实施相应的保护措施，以确保IGBT器件在使用时发挥它的效果并保护它不被损坏，能够正常的运行。IGBT器件与其他领域的配合使用还有待发掘与完善，进而提高电力电子器件的使用效率。