尹春賀

摘 要：隨著油電混合車和電動車技術(shù)的演進，逆變器驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)深入汽車領(lǐng)域，從空調(diào)機和加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，到驅(qū)動車輛行駛和再生制動系統(tǒng)等高功率應(yīng)用，所有這些系統(tǒng)的共同點是需要通過保護逆變器中的功率開關(guān)晶體管以最大限度地提高工作壽命。

關(guān)鍵詞：汽車逆變器；功率晶體管

1 前言

汽車系統(tǒng)中的逆變器為電動機控制電源的關(guān)鍵部件，它可以把相對較低的直流電池電壓轉(zhuǎn)換成為交流高電壓，其中使用功率開關(guān)來調(diào)節(jié)能量的遞送，請參考圖1。通過微控制器送出開關(guān)信號，并利用隔離門驅(qū)動器作為低電壓微控制器和高電壓功率開關(guān)間的接口。許多新形態(tài)的功率開關(guān)，如碳化硅，都被評估可以使用于汽車逆變器中，但目前最具競爭力的還是IGBT。長久以來，這些功率晶體管已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高電壓和高功率的處理上，但在發(fā)展過程中卻存在缺點，為了把IGBT的功率損耗降到最低，新一代的IGBT產(chǎn)品尋求降低開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，不過，為了降低傳遞損耗，通常必須在強固性上做出讓步。

2 “防錯”保護、避免損壞

降低IGBT下傳導(dǎo)損耗通常會引起短路電流的增加，從而縮減短路的存活時間，許多逆變器的內(nèi)部或外部錯誤情況會造成逆變器中一個或多個IGBT下短路或類似短路的過載情況，包括相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過沖，以及IGBT低驅(qū)動電壓。由于IGBT下會因這些錯誤而受到損壞，因此對于逆變器設(shè)計，快速并且可靠的IGBT下短路檢測和保護就變得非常重要。

但并非所有這些情況都可以使用相位電流傳感器進行檢測，一個比較好的替代做法是分別獨立檢測每個IGBT的負載電流大小。檢測負載電流大小有幾個方法，如使用分流電阻或射極分離的IGBT，可以產(chǎn)生正比于IGBT負載電流的電壓信號，當(dāng)信號超過設(shè)定的閥值大小時就會觸發(fā)保護機制。不過IGBT下的最大可容忍電流會依采用的工藝、工作溫度以及門電壓而定，因此在設(shè)定負載電流觸發(fā)閥值時必須留有安全余量，以便限制IGBT的工作范圍。

也可以通過監(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)視輸出電流相同的檢測結(jié)果，也可以監(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。

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下的軟關(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，自動錯誤檢測裝置可以同時關(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，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。

3 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)量和可靠性的期望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，Avago的ACPL-38JT門驅(qū)動光電藕合器通過集成去飽合檢測和欠壓鎖定（UVLO，UnderVoltageLockout）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)助降低電磁噪聲藕合，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保護電路上使用集成器件，減少了分立器件的隱患節(jié)點，有助于提高系統(tǒng)的可靠性，另外，使用集成器件，借助于其完善的測試結(jié)果可縮短設(shè)計、測試、審核周期。舉例來說，ACPL-38JT就依循TS16949和AEC-Q100汽車準則進行生產(chǎn)和測試，工作溫度范圍達到一40℃到125℃。

4 選擇車載逆變器事項

4.1 直流輸入電源的選擇

必須使用額定輸入電壓范圍內(nèi)的電瓶或直流穩(wěn)壓電源（推薦為：11一14V），應(yīng)能提供足夠的工作電流（應(yīng)大于逆變器的額定輸入電流值），如300W，12V的逆變器的輸入電流應(yīng)大于25A。如果用直流電源則其穩(wěn)定性能應(yīng)優(yōu)于1%。

4.2 直流接線方法

當(dāng)用汽車點煙器作為直流輸入電源時，切勿將正、負極接反（點煙器的尖端觸點為正極，外側(cè)彈簧為負極），為保證接觸良好，應(yīng)將點煙器與點煙器插座插緊。點煙器插頭連線要能承受工作電流，并留有余量，長度應(yīng)方便使用。

電器功率大于150W，一定要用蓄電池夾子直接從蓄電池取電，汽車點煙器插座只能通過10A左右電流，所以大功率的逆變器都必須另配一條蓄電池夾子線從蓄電池直接取電。

注意輸出插座形式：要使用國標的插座

4.3 保護功能

在選用車載逆變器時，應(yīng)考慮其是否具有完善的保護功能。

①欠壓保護功能

當(dāng)輸入直流電源電壓低于額定的輸入電壓范圍時，蜂鳴器發(fā)出報警聲，表示蓄電池需要充電。當(dāng)直流輸入電壓低于10.5V時，會自動關(guān)斷輸出，蜂鳴器同時報警。

②過壓保護功能

當(dāng)直流輸入電源電壓超過15.6V時，逆變器將關(guān)斷輸出。

③短路保護功能

當(dāng)負載發(fā)生短路時，輸出自動切斷，蜂鳴器發(fā)出報警聲，表示正常輸出的指示燈熄滅。

④輸入反接保護功能

當(dāng)直流輸入電源電壓接反時，將會燒斷輸入保險絲，此時必須斷開直流 電源，更換同型號保險，再正確接入電源，即可使用。

⑤溫度保護

當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器檢測溫度超過75℃時，輸出會切斷，蜂鳴器發(fā)出報警聲。等逆變器冷卻至合適溫度后，方可再次啟動。

4.4 逆變器的功率選擇

大多數(shù)電子工具、裝置和音像產(chǎn)品均有標注使用電源的功率、電流等參數(shù)。車載逆變器的輸出功率應(yīng)大于產(chǎn)品標注的輸入功率。有些負載（電視、冰箱等）的啟動功率大于標稱功率的數(shù)倍，在這種情況下，可以（on-off）逆變器以重復(fù)起動，如果重復(fù)多次都不能起動，就應(yīng)更換大功率的逆變器。所以，選擇車載逆變器的功率時，應(yīng)考慮負載的啟動特性。

4.5 轉(zhuǎn)換效率的選擇

對于逆變器來說，轉(zhuǎn)換效率是非常重要的一個指標。逆變效率越高，蓄電池的壽命就越長久，并且逆變器發(fā)熱越小。一般要求轉(zhuǎn)換效率應(yīng)達到90%以上。用戶可以通過帶大功率的負載，從逆變器的發(fā)熱量來簡單地判別轉(zhuǎn)換效率的高低。逆變器應(yīng)金屬外殼，便于散熱，應(yīng)當(dāng)在帶標稱功率80%的負載時能夠長時間工作而不發(fā)燙。

5 結(jié)束語

隨著高功率電氣系統(tǒng)在汽車設(shè)計中的角色愈加重要，“防錯”設(shè)計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。

參考文獻

[1]具備非線性負載控制的準Z源逆變器控制策略[J].郭亮，王維慶，孫向東，劉詠妮.電力電子技術(shù).2017（01）

[2]光伏逆變器的低電壓穿越特性分析與參數(shù)測試方法[J].葛路明，曲立楠，陳寧，朱凌志，張磊.電力系統(tǒng)自動化.2018（18）

[9]微網(wǎng)逆變器的分層控制策略分析[J].魏桂林，胥飛.機電信息.2018（24）