具有有源电压钳位功能的电动汽车IGBT 驱动电路设计与研究Design and research of IGBT drive circuit with active voltage clamping for Electric Vehicles 荣睿英飞凌集成电路（北京）有限公司
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rui.rong@infineon.com关键词：有源电压钳位，电动汽车，门极驱动电路，IGBT短路保护，电压尖峰抑制摘要：
由于电动汽车及混合动力机车的电池工作电压范围较大，在刹车能量回收、发电机发电、短路保护等工况下，防止IGBT 产生过压失效成为一个必须深入研究的课题。有源电压钳位功能作为防止IGBT 过压失效的有效手段开始有所应用，本文对几种有源电压钳位的具体方式和效果进行分析，基于英飞凌汽车级IGBT Hybridpack 2及汽车级驱动芯片1ED020I12FA 设计具体驱动电路，给出相关的测试结论和实验数据，提出在有源电压钳位在电动汽车IGBT 驱动应用中的优化建议。
1引言
随着混合动力汽车及电动汽车的日益普及，其驱动系统正在向高电压、大功率方向发展，更大电流更高电压的IGBT 模块开始得到应用。在电机控制器系统设计中，驱动电路设计对系统的稳定性可靠性发挥着至关重要的作用。
1.1抑制关断电压尖峰的必要性
为了让电动汽车和混合动力汽车具有更大的最高时速和加速度，需要采用更大功率的电机和更大功率的IGBT 模块。在同样功率情况下，母线电压越高，系统的额定电流越小，系统的损耗也越低，同时还可以减小导线截面积，从而减轻车重。因此，在系统
承受的范围内采用较高的母线电压成为电动汽车开发的方向。
图1：IGBT 关断时产生的电压尖峰
此外，在刹车能量回收、发电机发电工作等工况下，系统往往工作于超过额定母线电压的工况下。尤其是为了尽量回收下坡时电动汽车的重力势能，系统往往工作在允许的最高电压状态。然而IGBT 关断时产生的Vce 电压尖峰叠加在上述较高的母线电压上（见图1），有超过IGBT 耐压值导致IGBT 过压失效的风险。这也是IGBT 失效的最典型的原因之一。
因此，为满足电动汽车及混合动力汽车较高母线电压下工作的需要，在IGBT 关断使Vce 接近耐压值时对电压尖峰的抑制是非常必要的。
1.2有源电压箝位方案的优势
IGBT 关断电压尖峰是由系统寄生电感和关断电流变化率决定的，计算公式如下：
Vs=Ls*di/dt
Ls 表示系统寄生电感，di/dt表示关断时流过IGBT 的电流变化率，在系统设计方面通常采用叠层母排技术尽量减小寄生电感，增加并联在母线上的吸收电容等方式减小关断尖峰。在驱动电路方面抑制电压尖峰的方式也有如下几种：
a 增加关断电阻阻值。
增加关断电阻阻值会减小关断IGBT 的电流变化率，从而达到降低关断电压尖峰的作用。但是这种方法的缺点是，同时增加了IGBT 的关断损耗，也就降低了IGBT 的承受电流能力。在电动汽车应用中，为了充分发挥系统的能力，这种方法是不可取的。
b 两级关断技术TLTO （two level turn off ）。
TLTO 是在IGBT 关断时驱动电压不直接转为负电压，而是在大约7V 左右维持一段时间再转为负电压，具体原理见图2。英飞凌汽车级驱动芯片1ED020I12FTA 即
采用了该项技术。