逆变器驱动技术已成为汽车系统的关键组成部分

在汽车技术飞速发展的当下，尤其是油电混合车和电动车领域，逆变器驱动技术已成为汽车系统的关键组成部分。从空调机、加热系统等低功率应用，到驱动和再生制动系统等高功率应用，逆变器都发挥着不可或缺的作用。其核心功能是将相对较低的直流电池电压转换为交流高电压，为电动机控制电源，而在这一过程中，功率晶体管扮演着调节能量递送的关键角色。因此，如何保护汽车逆变器设计中的功率晶体管，成为延长系统工作寿命、确保汽车稳定运行的重要课题。

目前，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在汽车逆变器中占据主导地位。IGBT 结合了 MOSFET 的高输入阻抗和双极晶体管的低导通压降等优点，能够高效地处理高电压和高功率。然而，随着技术的不断发展，为了降低 IGBT 中的功率损耗，新一代产品在追求更低的开关和传导损耗时，往往不得不牺牲一定的强固性。这使得功率晶体管在面对复杂的汽车工作环境时，更容易受到损坏。

汽车逆变器中功率晶体管损坏的原因是多方面的。其中，过流情况是导致功率晶体管损坏的常见因素之一。许多逆变器的内部或外部错误，如相位到相位输出短路、逆变器桥接脚的过冲以及 IGBT 低驱动电压等，都可能造成逆变器中一个或多个 IGBT 短路或类似短路的过载情况。当 IGBT 出现短路时，电流会急剧增加，而降低 IGBT 传导损耗的设计又常常会导致短路电流进一步增大，从而缩减短路的存活时间，对 IGBT 造成不可逆的损坏。

过热也是威胁功率晶体管寿命的重要因素。当集电极电流过大时，IGBT 会迅速发热。如果散热系统设计不合理，无法及时将热量散发出去，IGBT 的温度就会持续升高。一旦超过其最高工作温度(通常设定在 130℃以下)，特别是超过硅本征温度(约 250℃)时，IGBT 的阻断能力将丧失，栅极控制失效，最终导致器件损坏。此外，IGBT 的 PNPN 四层结构中包含一个寄生晶闸管，当集电极电流超过阈值，尤其是在动态关断过程中电流下降过快时，会造成正向偏置，导致 NPN 和 PNP 晶体管饱和，寄生晶闸管导通，形成静态或动态锁定效应，进一步增加功耗，引发器件失效。

为了有效保护汽车逆变器设计中的功率晶体管，需要从多个方面采取措施。在过流保护方面，快速并且可靠的 IGBT 短路检测至关重要。可以采用多种方法来检测负载电流大小，如使用分流电阻或射极分离的 IGBT，它们能够产生正比于 IGBT 负载电流的电压信号，当信号超过设定的阈值大小时就会触发保护机制。然而，由于 IGBT 的最大可容忍电流会因采用的工艺、工作温度以及门电压等因素而有所不同，在设定负载电流触发阈值时需要非常谨慎，以确保在有效保护的同时，不会过度限制 IGBT 的工作范围。

另一种有效的过流检测方法是通过监视集电极到发射极的电压(VCE)来检测 IGBT 脱离饱和状态的时间。在正常工作情况下，IGBT 处于饱和模式，VCE 较低。当发生输出短路或低门极驱动情况时，IGBT 会进入线性模式，VCE 上升，导致功率损耗过大，最终引发器件失效。通过检测这个去饱和(DESAT)情况，可以实现与监视输出电流相同的错误检测效果，并且能够更真实地反映 IGBT 的工作情况，有效降低许多外在因素的干扰，从而实现 IGBT 更高功率的安全使用。

当检测到过流错误情况时，逆变器的错误分辨能力和关断策略也至关重要。如果 IGBT 关断过于快速，快速的电流变化(di/dt)以及无可避免的连接寄生电感就有可能造成回流 EMF 超过 IGBT 的最高电压容忍大小，不仅会损坏 IGBT，还可能破坏过电流保护机制。为了解决这个问题，可以通过实现 IGBT 的软关断来减轻，即利用延长错误发生时的门极放电时间，降低电压的变化速度，从而保护 IGBT 免受过高电压的冲击。

在热管理方面，优化散热设计是关键。合理设计散热器的尺寸、形状和材质，确保其具有足够低的热阻(θja)，以有效地将 IGBT 产生的热量散发出去，维持结温(TJ)在安全水平内。此外，还可以考虑采用更大的风扇和高效的通风系统，进一步提高散热效率。同时，在设计过程中，要充分考虑到汽车运行时的各种工况，确保散热系统在不同环境条件下都能稳定工作。

电气保护方面，采取一系列措施来应对瞬态过电压等问题。例如，使用瞬态电压抑制器(TVS)，当瞬态电流超过额定阈值时，TVS 二极管能够为电流提供低阻抗路径，从而保护功率晶体管免受过高电压的损害。在选择 TVS 二极管时，需要综合考虑二极管在瞬态事件期间能够处理的峰值脉冲电流以及二极管吸收和散发能量的能力。此外，还可以采用 RC 吸收电路，通过串联电阻和电容器来抑制电压尖峰，吸收电动汽车电感负载产生的能量，确保电路的稳定性。

在实际应用中，高度集成的解决方案为保护功率晶体管提供了便利。例如，Avago 的 ACPL - 38JT 门驱动光电耦合器通过集成去饱合检测和欠压锁定(UVLO, Under Voltage LockOut)电路，以及隔离的错误信号和软关断等多个功能到 IGBT 门驱动器中，满足了汽车系统对低成本、小尺寸以及强固性的要求。其光隔离功能包括环绕光接收器的透明法拉第屏蔽，可协助降低电磁噪声耦合，并使用特别设计的 LED 确保高温条件下的更长工作寿命。内置的保护电路不仅可以节省数个分立器件，降低成本，还能通过解决所有错误情况，包括可能破坏功率开关晶体管的低门驱动电压，提高系统的可靠性。

随着汽车设计中高功率电气系统的重要性日益凸显，对逆变器设计中功率晶体管的保护已成为确保系统长时间工作寿命的必备条件。通过采用同时具备检测和响应机制的集成方案，能够以紧凑、低成本且高可靠性的方式满足这一需求。在未来的汽车技术发展中，不断优化和完善功率晶体管的保护措施，将为电动汽车和油电混合汽车的性能提升和安全运行提供坚实保障。