基于三菱智能功率模塊的電動汽車驅動系統設計

摘要：隨著人們環保意識的增強，“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；設計

1引言

隨著石油資源日趨緊張及環境惡化，政府部門陸續出臺各種政策，鼓勵企業發展新能源產業，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，促使電動汽車產業的飛速發展。電動汽車的核心部分主要有驅動系統、電機和電池三部分組成。其中驅動系統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展, 驅動系統的核心功率變換器件也不斷的升級換代。目前，驅動系統的逆變部分還是采用正弦脈寬調制（SPWM）控制理論，傳統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點，并且輸入阻抗高和死區時間小[2]，它已經代替了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）系統和交流伺服驅動器等設備上。本文介紹日本三菱公司生產的第五代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，使得驅動系統的設計及調試工作變得簡單，產品可靠性也得到了保證，滿足批量生產的需要。

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,實現了極低的模塊壓降、低損耗、高效率，節電效果良好等優點，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視功率

器件的輸出電流值，從而實現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。即使出現控制電壓不足或過熱等故障，IPM也會發出封鎖信號，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出現異常狀態時，以上的保護功能只要有一個發出信號，就會立即關斷IGBT的輸出，同時IPM發出故障信號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開發時間，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時間小于10μs，即使幅值超過過電流閾值，該控制電路也不發出報警信號。為了更高效的保護IGBT，當出現過電流故障時，系統緩慢的關斷IGBT，這樣可以避免關斷時產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生的過流故障，包括電機出現的對地短路。

3.2短路保護

如果因為某些原因發生負載發生短路或控制系統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，一旦出現上述的短路情況，IPM立即關斷IGBT的輸出，同時發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射極之間的電壓VGE值來進行IGBT的關斷的技術，確保可以及時進行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)柵極與發射極電壓（VGE）

VGE電壓值的大小取決于發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壓二極管使電壓值穩定，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的驅動電壓穩定可靠，在靠近IGBT的柵極和發射極之間加雙16～18V穩壓管，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時間超過toff=10ms，IPM模塊封鎖輸出并發出故障信號。當電源電壓高于欠壓復位值，系統恢復正常工作。因為干擾使電源電壓出現毛刺電壓，但是持續時間小于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出一個截止信號，封鎖柵極驅動，同時發出故障信號，提示IPM發生過熱報警，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。

4 電動汽車驅動系統設計中三菱IPM的應用

電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，其中驅動系統的效率、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的開發。在使用該智能功率模塊進行系統設計時，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

利用專業的控制器測試平臺，對電動汽車驅動系統進行各種性能測試, 測試結果表明，該系統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芯片降低了系統的整體功耗提高了系統效率。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的設計[J].現代電子技術, 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.節能型電動車交流驅動系統的研究和設計[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，一直從事高檔數控機床、全數字總線數控系統及伺服驅動等產品的研發項目管理及品質管理工作。）