IGBT在新能源汽車中的應(yīng)用(上)

◆文/山東 劉春暉

近年來，新型功率開關(guān)器件IGBT(圖1)已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件(圖2)，IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫形式，是絕緣柵雙極型晶體管。與以前的各種電力電子器件相比，IGBT具有以下特點(diǎn)：①高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線路；②高速開關(guān)特性，導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。

IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。簡單講，是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看作導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)作開路。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，是一種適合于中、大功率應(yīng)用的電力電子器件，IGBT在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

圖1 IGBT外形

一、IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀

1.IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 IGBT在電力半導(dǎo)體器件分類中的位置

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是電力電子裝置的“CPU”。IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看作導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)作開路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，不同公司的IGBT如圖3所示。

采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如工業(yè)領(lǐng)域中的變頻器，家用電器領(lǐng)域的變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱，軌道交通領(lǐng)域的高鐵、地鐵、輕軌，軍工航天領(lǐng)域的飛機(jī)、艦艇以及新能源領(lǐng)域的新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等都有非常廣泛的應(yīng)用。

IGBT模塊在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動(dòng)汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域中以下幾個(gè)方面：

①電動(dòng)控制系統(tǒng)：大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)(圖4),車載空調(diào)控制系統(tǒng)；

②小功率直流/交流(DC/AC)逆變(圖5)，使用電流較小的IGBT和FRD；

③充電樁：智能充電樁中IGBT模塊被作為開關(guān)元件使用(圖6)。

圖4 HEV中的應(yīng)用

圖5 IGBT在電動(dòng)汽車逆變器中的應(yīng)用

圖6 IGBT在混合動(dòng)力(HEV)/純電動(dòng)(EV)汽車中的相關(guān)應(yīng)用

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式(圖7)與壓接式(圖8)兩類。焊接式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝過程見圖9。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

模塊技術(shù)發(fā)展趨勢：無焊接、無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

圖7 焊接式IGBT

圖8 壓接式IGBT

圖9 焊接式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝過程

2.目前市場現(xiàn)狀

國外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、ABB、三菱、西門康(圖10)、東芝、富士等。中國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，相對(duì)較弱。國外企業(yè)如英飛凌、ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600～6 500V，電流2～3 600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列。

圖10 西門康公司的最新一代IGBT 7芯片

二、IGBT在電動(dòng)汽車直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

在電源電路上，直流電動(dòng)機(jī)可以采用較少的控制元件，一般用斬波器來控制。最常采用的有IGBT電子功率開關(guān)的斬波器，IGBT斬波器是在直流電源與直流電動(dòng)機(jī)之間的一個(gè)周期性的通斷開關(guān)裝置。斬波器根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需要，脈沖輸出和變換直流電動(dòng)機(jī)所需電壓從0到最高電壓，與直流電動(dòng)機(jī)輸出的功率相匹配，來驅(qū)動(dòng)和控制直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。IGBT斬波器已經(jīng)商品化，可供用戶選用。

直流斬波控制方式由于體積小、重量輕、效率高、可控制性好，而且根據(jù)所選的加速度，能平穩(wěn)加速到理想的速度，所以該控制方式在電力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如圖11所示為用于直流電動(dòng)機(jī)速度控制的一象限直流斬波控制。四象限運(yùn)行是指用二軸表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，y軸表示電流，第一象限就是電動(dòng)狀態(tài)。四象限是指正向電動(dòng)、正向發(fā)電、反向電動(dòng)、反向發(fā)電。

一象限直流斬波控制的工作原理是電流經(jīng)蓄電池正極輸出，經(jīng)絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)的集電極C和發(fā)射極E，再經(jīng)電刷進(jìn)入電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)的定子S可以是線圈也可能是永磁體。駕駛?cè)颂は录铀偬ぐ鍟r(shí)，實(shí)際上就是電路在控制IGBT管的門極G的PWM波占空比加大，汽車減速時(shí)，若定子S為永磁體，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)發(fā)電，但發(fā)出的電流無法經(jīng)IGBT將電流充入蓄電池。要想在第二象限工作，則可在IGBT的G和E間反加一個(gè)大功率二極管，這時(shí)電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)的能量就可以返回蓄電池了。

圖11 用于直流電動(dòng)機(jī)速度控制的一象限直流斬波控制

2.IGBT的使用與檢測

(1)IGBT使用注意事項(xiàng)

由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般僅能承受到20～30V，所以因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此，使用中要注意以下幾點(diǎn)。

①在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后再觸摸；在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊，在良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

②在柵極發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

③在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞。為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一個(gè)10kΩ左右的電阻。

④在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂，安裝時(shí)應(yīng)受力均勻，避免用力過度而損壞。

⑤一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞，散熱片散熱不良時(shí)，將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，從而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)報(bào)警或停止IGBT模塊工作。

(2)IGBT管極性測量

判斷極性，首先將萬用表撥在R×1k擋，用萬用表測量時(shí)，若某一極與其他兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其他兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極G。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小，則在測量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極C，黑表筆接的為發(fā)射極E。

(3)檢測判斷IGBT管的好壞

IGBT管的好壞可用指針式萬用表的R×1k擋來檢測，或用數(shù)字式萬用表的“二極管”擋來測量PN結(jié)正向壓降進(jìn)行判斷。檢測前先將IGBT管三個(gè)引腳短路放電，避免影響檢測的準(zhǔn)確度；然后用指針式萬用表的兩支表筆正反測G、E兩極及G、C兩極的電阻。正常G、C兩極與G、E兩極間的正反向電阻均為無窮大；內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管正常時(shí)，E、C極間均有4kΩ的正向電阻。

最后用指針式萬用表的紅筆接C極，黑筆接E極，若所測值在3.5kΩ左右，則所測管為含阻尼二極管的IGBT管，若所測值在50kΩ左右，則所測IGBT管內(nèi)不含阻尼二極管。對(duì)于數(shù)字式萬用表，正常情況下，IGBT管的C、E極間正向壓降約為0.5V。

綜上所述，內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管檢測，除紅黑表筆連接C、E阻值較大，反接阻值較小外，其他連接檢測的讀數(shù)均為無窮大。測得IGBT管三個(gè)引腳間電阻均很小，則說明該管已擊穿損壞，維修中IGBT管多為擊穿損壞。若測得IGBT管三個(gè)引腳間電阻均為無窮大，說明該管已開路損壞。

三、IGBT在永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)是將永久磁鐵取代他勵(lì)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，形成同步旋轉(zhuǎn)的磁極。電動(dòng)機(jī)的定子與普通同步電動(dòng)機(jī)兩層六極永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子一樣，如圖12所示，轉(zhuǎn)子上不再用勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷等來為轉(zhuǎn)子輸入勵(lì)磁電流，輸入定子的是三相正弦波電流，這種電動(dòng)機(jī)稱為永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)。

圖12 不同層數(shù)的永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子

2.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)采用了帶有矢量變換電路的逆變器系統(tǒng)來控制，其控制系統(tǒng)由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器、永磁同步電動(dòng)機(jī)(PSM)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測器(PS)、速度傳感器、電流檢測器、驅(qū)動(dòng)電路和其他一些元件等共同組成。微處理器控制模塊中包括乘法器、矢量變換電路、弱磁控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電流控制系統(tǒng)、PWM發(fā)生器等主要電子器件，PWM逆變器的作用是將直流電經(jīng)過脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率及電壓可變的交流電，電壓波形有正弦波或方波。

①轉(zhuǎn)子位置檢測器根據(jù)檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)和矢量變換電路發(fā)出的控制信號(hào)，共同通過電流分配信號(hào)發(fā)生器來對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生電流分配信號(hào)，將信號(hào)分別輸入A、B乘法器中。

②速度傳感器、速度變換電路和速度調(diào)節(jié)器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別和處理，將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)分別輸入A、B乘法器中。

③控制驅(qū)動(dòng)器采用不同的控制方法，由電流分配信號(hào)發(fā)生器和速度調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)提供信號(hào)，經(jīng)過乘法器邏輯控制單元的計(jì)算后產(chǎn)生控制信號(hào)，并與電流傳感器輸入的電流信號(hào)，共同保持轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流之間的確定關(guān)系，將電流頻率和相位變換信號(hào)分別輸入各自獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)器中，然后輸出到PWM發(fā)生器中，控制逆變器換流IGBT開關(guān)元件的通斷，完成脈寬調(diào)制，為永磁同步電動(dòng)機(jī)提供正弦波形的三相交流電，同時(shí)控制定子繞組的供電頻率、電壓和電流的大小，使永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩和對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)如圖13所示。

圖13 永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

(未完待續(xù))