汽車逆變器功率晶體管保護設(shè)計
第三種做法是通過監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來檢測IGBT脫離飽和狀態(tài)的時間,在普通工作情況下IGBT處于飽和模式而VCE低,當(dāng)發(fā)生輸出短路或低門極驅(qū)動情況時,IGBT會進入線性模式并且VCE上升,造成功率損耗過大引發(fā)器件失效,檢測這個去飽和(DESAT)情況可以達到和監(jiān)視輸出電流相同的錯誤檢測結(jié)果,但卻有監(jiān)視IGBT真實工作情況,有效降低許多外在因素干擾的優(yōu)點,帶來IGBT更高功率的使用。
圖2 集成了錯誤檢測和軟關(guān)斷,Avago的ACPL-38JT IGBT門驅(qū)動光電耦合器可以解決可能破壞逆變器功率開關(guān)的錯誤情況
和檢測錯誤同等重要的是,逆變器本身設(shè)計的錯誤分辨能力,當(dāng)檢測到錯誤情況時,極可能有較大的電流經(jīng)過,如果IGBT關(guān)斷過于快速,那么快速的電流變化(di/dt)以及無可避免的連接寄生電感就有可能造成回流EMF超過IGBT的最高電壓容忍大小,帶來IGBT的損壞并破壞過電流保護機制。這個問題可以通過實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷來減輕,利用延長錯誤發(fā)生時的門極放電時間降低電壓的變化速度。
錯誤分辨能力也有著系統(tǒng)的考量,自動錯誤檢測可以配置為同時關(guān)斷所有其他門驅(qū)動來實現(xiàn),另一方面,錯誤檢測也可設(shè)計為每個IGBT獨立進行錯誤檢測和關(guān)斷,允許通常較為適合汽車牽引應(yīng)用的和緩錯誤處理和關(guān)斷策略。自動錯誤檢測也可以包含提供信號給負責(zé)管理汽車動力系統(tǒng)的微控制器,帶來額外的響應(yīng)選擇。
可靠性是基本要求
在汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)這些錯誤檢測和IGBT保護電路必須有幾個關(guān)鍵點,包括低成本、小尺寸以及強固性。由于汽車應(yīng)用對于質(zhì)量和可靠性的期待通常要比其他許多消費類和工業(yè)應(yīng)用高上許多,因此強固性非常重要,進一步說,在更加惡劣的環(huán)境,包括極廣的工作溫度條件以及高幅射和感應(yīng)電磁噪聲下則必須具備更高的可靠性。
高度集成方案,如圖2中Avago的ACPL-38JT門驅(qū)動光電耦合器通過集成去飽合檢測和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路,以及隔離的錯誤信號和軟關(guān)斷等多個功能到IGBT門驅(qū)動器中滿足了所有這些需求。Avago的光隔離功能包括環(huán)繞光接收器的透明法拉第屏蔽協(xié)助降低電磁噪聲耦合,并使用特別設(shè)計的LED確保高溫條件下的更長工作壽命,內(nèi)置的保護電路可以節(jié)省數(shù)個分立器件而降低成本,并通過解決所有錯誤情況,包括可能破壞功率開關(guān)晶體管的低門驅(qū)動電壓提高系統(tǒng)的可靠性。
在門驅(qū)動和IGBT保護電路上使用單一集成器件也可以通過消除分立器件失效點協(xié)助提高系統(tǒng)的可靠性,另外,集成器件也可借由完整和通過預(yù)先測試的設(shè)計而有助于縮短設(shè)計和通過監(jiān)管審查時間。舉例來說,ACPL-38JT就依循TS 16949和AEC-Q100汽車準(zhǔn)則進行生產(chǎn)和測試,工作溫度范圍達到- 40℃到125℃。
隨著高功率電氣系統(tǒng)在汽車設(shè)計中的角色越來越加重要,錯誤保護成為確保長時間工作壽命的必備條件,在逆變器設(shè)計中的功率開關(guān)使用同時提供有檢測和響應(yīng)機制的集成方案,可以通過緊湊、低成本并且高可靠性的方式滿足這個需求。
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