摘要：隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，“綠色”電動(dòng)汽車受到人們的廣泛關(guān)注。介紹了日本三菱公司生產(chǎn)的第五代L型智能功率模塊的特點(diǎn)、完善的保護(hù)功能，以及在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。實(shí)際測(cè)試表明，該器件完全滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用要求，值得推廣。

關(guān)鍵詞：三菱；智能功率模塊；電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1引言

隨著石油資源日趨緊張及環(huán)境惡化，政府部門陸續(xù)出臺(tái)各種政策，鼓勵(lì)企業(yè)發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，而電動(dòng)汽車因?yàn)槠渚哂械奈廴疚锪闩欧?、效率高、性價(jià)比高、安全可靠等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使之成為理想的“綠色”機(jī)動(dòng)車輛，受到人們的廣泛關(guān)注，促使電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。電動(dòng)汽車的核心部分主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)和電池三部分組成。其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率開關(guān)器件是提高效率、降低功耗、延長(zhǎng)電機(jī)壽命和提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展, 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心功率變換器件也不斷的升級(jí)換代。目前，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變部分還是采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制理論，傳統(tǒng)的雙極性晶體管由于其較低的開關(guān)頻率，并不適合高頻率SPWM控制，且由于控制方式采用的是脈沖幅度調(diào)制（PAM），導(dǎo)致逆變器的輸出含有大量的諧波成分，電機(jī)容易損壞。絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管（IGBT）具有大功率晶體管（GTR）高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn),以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)，并且輸入阻抗高和死區(qū)時(shí)間小[2]，它已經(jīng)代替了MOSFET和GTR，成為最主要的功率變換器件，被廣泛用于變頻器、太陽能、蓄電池（EPS）系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備上。本文介紹日本三菱公司生產(chǎn)的第五代L型IPM模塊在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。該模塊內(nèi)部集成IGBT芯片和各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試工作變得簡(jiǎn)單，產(chǎn)品可靠性也得到了保證，滿足批量生產(chǎn)的需要。

2 IPM 智能模塊簡(jiǎn)介

智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫，三菱第五代L型IPM模塊外形，如圖1所示。

圖 1 三菱L型IPM外形圖

IPM模塊采用全閘門載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管（CSTBT）芯片，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件,實(shí)現(xiàn)了極低的模塊壓降、低損耗、高效率，節(jié)電效果良好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合開關(guān)頻率小于20kHz的各種功率變換設(shè)備的應(yīng)用。IPM模塊內(nèi)部集成電流傳感器用于監(jiān)視功率

器件的輸出電流值，從而實(shí)現(xiàn)完善的過電流和負(fù)載的短路保護(hù)功能。為了進(jìn)一步提高模塊的性能和增強(qiáng)穩(wěn)定性，其內(nèi)部還集成有溫度檢測(cè)和欠電壓保護(hù)電路，使之有足夠的自我保護(hù)能力。即使出現(xiàn)控制電壓不足或過熱等故障，IPM也會(huì)發(fā)出封鎖信號(hào)，從而保護(hù)IPM不受損壞。IPM的內(nèi)部電路原理框圖，見圖2 [2]。

圖 2 IPM的內(nèi)部電路原理框圖

3 IPM完善的保護(hù)功能

IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路, 用于防止外部干擾造成的誤動(dòng)作和過流或短路時(shí)造成的IGBT芯片損壞。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT的輸出電流，在IPM模塊內(nèi)部放置了許多電流傳感器，這些傳感器的輸出信號(hào)直接反饋到內(nèi)部處理電路上，以便進(jìn)行各種故障判斷。IPM內(nèi)部集成有各中故障保護(hù)電路，包括過流保護(hù)、短路保護(hù)以及欠壓保護(hù)，當(dāng)IPM出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，以上的保護(hù)功能只要有一個(gè)發(fā)出信號(hào)，就會(huì)立即關(guān)斷IGBT的輸出，同時(shí)IPM發(fā)出故障信號(hào)Fo，以便上位機(jī)做出及時(shí)處理。IPM內(nèi)部集成的這些功能，使用起來非常方便，并且極大的減少了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，同時(shí)提高了故障下的自我保護(hù)能力，也大大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性[3]。

3.1過流保護(hù)

當(dāng)IPM檢測(cè)到IGBT的輸出電流值超出過電流的閾值并且持續(xù)時(shí)間超過過流延遲時(shí)間, IPM會(huì)封鎖IGBT的輸出并輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。對(duì)于最新一代的IPM模塊，過流延遲時(shí)間toff為10μs,當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到瞬時(shí)的脈沖電流持續(xù)時(shí)間小于10μs，即使幅值超過過電流閾值，該控制電路也不發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為了更高效的保護(hù)IGBT，當(dāng)出現(xiàn)過電流故障時(shí)，系統(tǒng)緩慢的關(guān)斷IGBT，這樣可以避免關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的大電流的浪涌沖擊電壓，從而提高了IGBT工作的可靠性。這樣的電流檢測(cè)和處理技術(shù)可以檢測(cè)出各種負(fù)載發(fā)生的過流故障，包括電機(jī)出現(xiàn)的對(duì)地短路。

3.2短路保護(hù)

如果因?yàn)槟承┰虬l(fā)生負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致上下臂直通的情況, 由于IPM模塊內(nèi)部集成了最新技術(shù)的電流傳感器以及短路保護(hù)處理電路，該電路響應(yīng)時(shí)間極快，動(dòng)作時(shí)間小于100ns，并可以實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT輸出電流值，一旦出現(xiàn)上述的短路情況，IPM立即關(guān)斷IGBT的輸出，同時(shí)發(fā)出故障型號(hào)給上位機(jī)進(jìn)行處理。在三菱最新的第五代IPM中，采取了多種技術(shù)手段用來避免IPM中的IGBT因?yàn)槎搪范艿狡茐?，最基本也是最重要的技術(shù)便是出現(xiàn)短路時(shí)IGBT在10μs之內(nèi)必須關(guān)斷。因此IGBT的驅(qū)動(dòng)和控制電路（包括吸收電路）都經(jīng)過了特殊設(shè)計(jì)，使之滿足短路保護(hù)的使用要求，尤其是通過檢測(cè)柵極與發(fā)射極之間的電壓VGE值來進(jìn)行IGBT的關(guān)斷的技術(shù)，確保可以及時(shí)進(jìn)行IGBT的短路保護(hù)，同時(shí)還減小了IGBT內(nèi)部承受的電應(yīng)力和溫度應(yīng)力，下面是該技術(shù)的簡(jiǎn)要介紹。

1)降低短路電流

通過技術(shù)逐步減小柵極電壓，此時(shí)隨著IGBT的關(guān)斷，短路電流隨著溝道電阻值的逐漸增大而減少，并且di/dt也隨之減小，直到最后IGBT完全關(guān)斷，通過這種技術(shù)降低了關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓。

2)柵極與發(fā)射極電壓（VGE）

VGE電壓值的大小取決于發(fā)生短路時(shí)的短路電流，該值完全取決于柵極和集電極的dv/dt。為了減少由于dv/dt對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)帶來的影響，常用方法是通過并接穩(wěn)壓二極管使電壓值穩(wěn)定，該電路圖見圖3。

圖 3 VGE 箝位電路原理圖

為了防止干擾對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)造成的誤動(dòng)作，箝位二極管必須選用超快恢復(fù)二極管，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)時(shí)，并且其必須與IGBT模塊的信號(hào)端子直接相連。在一些小功率IPM模塊中，為保證IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓穩(wěn)定可靠，在靠近IGBT的柵極和發(fā)射極之間加雙16～18V穩(wěn)壓管，以箝位dv/dt引起的耦合到柵極的電壓尖峰。

3)縮短短路時(shí)間

由于短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了降低模塊此時(shí)的熱應(yīng)力，需要降低短路的持續(xù)時(shí)間，但是由于時(shí)間的縮短，會(huì)導(dǎo)致di/dt的增加，所以必須利用上面介紹的兩項(xiàng)技術(shù)來避免縮短短路時(shí)間對(duì)IGBT造成的熱應(yīng)力增加。

3.3欠壓報(bào)警

IPM內(nèi)部控制電路的正常工作電壓是15V。但是該電壓值低于12.5V的欠壓關(guān)斷閥值并且持續(xù)時(shí)間超過toff=10ms，IPM模塊封鎖輸出并發(fā)出故障信號(hào)。當(dāng)電源電壓高于欠壓復(fù)位值，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。因?yàn)楦蓴_使電源電壓出現(xiàn)毛刺電壓，但是持續(xù)時(shí)間小于10ms，欠壓檢測(cè)電路會(huì)忽略毛刺，控制電路仍舊會(huì)正常工作。

3.4過熱保護(hù)

為了避免IGBT的溫度超過過熱動(dòng)作設(shè)定值，在IGBT的附近裝有溫度傳感器，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到IGBT的溫度超過設(shè)定值時(shí)，IPM內(nèi)部集成的控制電路發(fā)出一個(gè)截止信號(hào)，封鎖柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)，提示IPM發(fā)生過熱報(bào)警，直到溫度恢復(fù)正常。當(dāng)溫度降低到復(fù)位溫度值以下，并且控制電平為高電平，在下一個(gè)低電平信號(hào)輸入時(shí)，功率器件將恢復(fù)正常狀態(tài)。

4 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中三菱IPM的應(yīng)用

電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、電流輸出能力和可靠性指標(biāo)又是最重要的因素[4]。而三菱最新一代的智能功率模塊因?yàn)榫哂幸韵绿攸c(diǎn)：體積小巧、轉(zhuǎn)換效率高、載波頻率高、保護(hù)功能完善、可靠性高，控制簡(jiǎn)單，方便和上位機(jī)進(jìn)行連接，非常滿足電動(dòng)汽車中對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入要求，因此選用三菱的最新一代IPM模塊PM50CL1A060進(jìn)行電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。在使用該智能功率模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，從性能和可靠性指標(biāo)分析，需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)因素。

1)為了防止產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，上位機(jī)和IPM模塊之間要采樣高速光耦A(yù)3120進(jìn)行隔離。

2)為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有足夠的過載能力，滿足車輛的啟動(dòng)和超車需求，IPM的電流值要按照電機(jī)的額定電流值的倍數(shù)進(jìn)行確定[4]。

3)需要合理的進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，保證IGBT工作的溫度值始終小于最大結(jié)溫值 (150℃)。

5 結(jié)語

利用專業(yè)的控制器測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行各種性能測(cè)試, 測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求, 因?yàn)椴捎米钚乱淮腎PM模塊，各種保護(hù)功能更加完善并具有很高的可靠性指標(biāo)，同時(shí)IPM采用的新一代IGBT芯片降低了系統(tǒng)的整體功耗提高了系統(tǒng)效率。并且IPM模塊安裝簡(jiǎn)單、可維修性強(qiáng)。上述特點(diǎn)使之適于包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的多種應(yīng)用，該方案具有良好的推廣意義[3]。

參考文獻(xiàn):

[1]杜宇人,張正華.變頻式電動(dòng)輕便車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2000（11）：39-41.

[2] 仇志堅(jiān),何禮高,鄧智泉.一種基于第四代IPM的集成化小功率逆變器設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床電器.2003(10):32-34.

[3] 李從飛，陳凡，劉滌塵. IPM使用過程中若干問題的研究[J]. 電氣應(yīng)用，2005（10）：24-26.

[4] 竇國(guó)珍.節(jié)能型電動(dòng)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J]. 電機(jī)與電器,2003（8）:42-46.

作者：丁云飛，1978年生，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，一直從事高檔數(shù)控機(jī)床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目管理及品質(zhì)管理工作。