基于三菱智能功率模塊的電動汽車驅動系統(tǒng)設計

摘要：隨著人們環(huán)保意識的增強，“綠色”電動汽車受到人們的廣泛關注。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、完善的保護功能，以及在電動汽車驅動系統(tǒng)設計中的應用。實際測試表明，該器件完全滿足電動汽車驅動系統(tǒng)的使用要求，值得推廣。

關鍵詞：三菱；智能功率模塊；電動汽車；驅動系統(tǒng)；設計

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)出臺各種政策，鼓勵企業(yè)發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，而電動汽車因為其具有的污染物零排放、效率高、性價比高、安全可靠等一系列的優(yōu)點，使之成為理想的“綠色”機動車輛，受到人們的廣泛關注，促使電動汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。電動汽車的核心部分主要有驅動系統(tǒng)、電機和電池三部分組成。其中驅動系統(tǒng)中的功率開關器件是提高效率、降低功耗、延長電機壽命和提高系統(tǒng)可靠性的關鍵[1]。

隨著計算機技術、電力電子技術、半導體技術以及自動控制理論的飛速發(fā)展, 驅動系統(tǒng)的核心功率變換器件也不斷的升級換代。目前，驅動系統(tǒng)的逆變部分還是采用正弦脈寬調制（SPWM）控制理論，傳統(tǒng)的雙極性晶體管由于其較低的開關頻率，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制（PAM），導致逆變器的輸出含有大量的諧波成分，電機容易損壞。絕緣柵極場效應管（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,以及場效應晶體管（MOSFET）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點，并且輸入阻抗高和死區(qū)時間小[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)和交流伺服驅動器等設備上。本文介紹日本三菱公司生產(chǎn)的第五代L型IPM模塊在電動汽車上的應用。該模塊內部集成IGBT芯片和各種驅動保護電路，使得驅動系統(tǒng)的設計及調試工作變得簡單，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存的溝槽柵雙極晶體管（CSTBT）芯片，是一種先進的功率開關器件,實現(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，非常適合開關頻率小于20kHz的各種功率變換設備的應用。IPM模塊內部集成電流傳感器用于監(jiān)視功率

器件的輸出電流值，從而實現(xiàn)完善的過電流和負載的短路保護功能。為了進一步提高模塊的性能和增強穩(wěn)定性，其內部還集成有溫度檢測和欠電壓保護電路，使之有足夠的自我保護能力。即使出現(xiàn)控制電壓不足或過熱等故障，IPM也會發(fā)出封鎖信號，從而保護IPM不受損壞。IPM的內部電路原理框圖，見圖2 [2]。

圖 2 IPM的內部電路原理框圖

3 IPM完善的保護功能

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

3.1過流保護

當IPM檢測到IGBT的輸出電流值超出過電流的閾值并且持續(xù)時間超過過流延遲時間, IPM會封鎖IGBT的輸出并輸出一個報警信號。對于最新一代的IPM模塊，過流延遲時間toff為10μs,當電流傳感器檢測到瞬時的脈沖電流持續(xù)時間小于10μs，即使幅值超過過電流閾值，該控制電路也不發(fā)出報警信號。為了更高效的保護IGBT，當出現(xiàn)過電流故障時，系統(tǒng)緩慢的關斷IGBT，這樣可以避免關斷時產(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。這樣的電流檢測和處理技術可以檢測出各種負載發(fā)生的過流故障，包括電機出現(xiàn)的對地短路。

3.2短路保護

如果因為某些原因發(fā)生負載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導致上下臂直通的情況, 由于IPM模塊內部集成了最新技術的電流傳感器以及短路保護處理電路，該電路響應時間極快，動作時間小于100ns，并可以實時檢測IGBT輸出電流值，一旦出現(xiàn)上述的短路情況，IPM立即關斷IGBT的輸出，同時發(fā)出故障型號給上位機進行處理。在三菱最新的第五代IPM中，采取了多種技術手段用來避免IPM中的IGBT因為短路而受到破壞，最基本也是最重要的技術便是出現(xiàn)短路時IGBT在10μs之內必須關斷。因此IGBT的驅動和控制電路（包括吸收電路）都經(jīng)過了特殊設計，使之滿足短路保護的使用要求，尤其是通過檢測柵極與發(fā)射極之間的電壓VGE值來進行IGBT的關斷的技術，確?？梢约皶r進行IGBT的短路保護，同時還減小了IGBT內部承受的電應力和溫度應力，下面是該技術的簡要介紹。

1)降低短路電流

通過技術逐步減小柵極電壓，此時隨著IGBT的關斷，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完全關斷，通過這種技術降低了關斷時的尖峰電壓。

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IGBT驅動信號帶來的影響，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IGBT驅動信號造成的誤動作，箝位二極管必須選用超快恢復二極管，同時在電路設計時，并且其必須與IGBT模塊的信號端子直接相連。在一些小功率IPM模塊中，為保證IGBT的驅動電壓穩(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)縮短短路時間

由于短路時會產(chǎn)生大量的熱量，為了降低模塊此時的熱應力，需要降低短路的持續(xù)時間，但是由于時間的縮短，會導致di/dt的增加，所以必須利用上面介紹的兩項技術來避免縮短短路時間對IGBT造成的熱應力增加。

3.3欠壓報警

IPM內部控制電路的正常工作電壓是15V。但是該電壓值低于12.5V的欠壓關斷閥值并且持續(xù)時間超過toff=10ms，IPM模塊封鎖輸出并發(fā)出故障信號。當電源電壓高于欠壓復位值，系統(tǒng)恢復正常工作。因為干擾使電源電壓出現(xiàn)毛刺電壓，但是持續(xù)時間小于10ms，欠壓檢測電路會忽略毛刺，控制電路仍舊會正常工作。

3.4過熱保護

為了避免IGBT的溫度超過過熱動作設定值，在IGBT的附近裝有溫度傳感器，當溫度傳感器檢測到IGBT的溫度超過設定值時，IPM內部集成的控制電路發(fā)出一個截止信號，封鎖柵極驅動，同時發(fā)出故障信號，提示IPM發(fā)生過熱報警，直到溫度恢復正常。當溫度降低到復位溫度值以下，并且控制電平為高電平，在下一個低電平信號輸入時，功率器件將恢復正常狀態(tài)。

4 電動汽車驅動系統(tǒng)設計中三菱IPM的應用

電力驅動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，其中驅動系統(tǒng)的效率、電流輸出能力和可靠性指標又是最重要的因素[4]。而三菱最新一代的智能功率模塊因為具有以下特點：體積小巧、轉換效率高、載波頻率高、保護功能完善、可靠性高，控制簡單，方便和上位機進行連接，非常滿足電動汽車中對控制系統(tǒng)的設計輸入要求，因此選用三菱的最新一代IPM模塊PM50CL1A060進行電動汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。在使用該智能功率模塊進行系統(tǒng)設計時，從性能和可靠性指標分析，需要重點考慮以下幾個因素。

1)為了防止產(chǎn)生傳導干擾，上位機和IPM模塊之間要采樣高速光耦A3120進行隔離。

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

3)需要合理的進行熱設計，保證IGBT工作的溫度值始終小于最大結溫值 (150℃)。

5 結語

利用專業(yè)的控制器測試平臺，對電動汽車驅動系統(tǒng)進行各種性能測試, 測試結果表明，該系統(tǒng)完全達到了設計要求, 因為采用最新一代的IPM模塊，各種保護功能更加完善并具有很高的可靠性指標，同時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模塊安裝簡單、可維修性強。上述特點使之適于包括電動汽車在內的多種應用，該方案具有良好的推廣意義[3]。

參考文獻:

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

[2] 仇志堅,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計[J]. 機床電器.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]. 電氣應用，2005（10）：24-26.

[4] 竇國珍.節(jié)能型電動車交流驅動系統(tǒng)的研究和設計[J]. 電機與電器,2003（8）:42-46.

（作者：丁云飛，1978年生，高級工程師，工學學士，一直從事高檔數(shù)控機床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅動等產(chǎn)品的研發(fā)項目管理及品質管理工作。）