电动汽车电驱关键部件IGBT模块概述

一、 何为IGBT

一般来说，电动汽车的电驱系统包括电机、电控、减速器，合称为电驱系统。为了让车辆运行，电机控制器会将动力电池的直流电变为交流电，电流带动驱动电机工作，从而让四个轮子跑起来。其中将直流电变为交流电的一个关键部件就是逆变器，而IGBT（绝缘栅双极型晶体管——Insulated Gate Bipolar Transistor）模块形象来说，则是让逆变器正常工作的一个个细胞。从技术层面说，IGBT是一种能够承受高电压和高电流的开关器件，若干个IGBT芯片单元的并串联结构组成IGBT模块。当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电，因此又叫IGBT门极驱动技术。IGBT作为结合了结型场效应晶体管（JFET）和双极型开关器件（BJT）优点的功率半导体开关器件，具有低开关损耗、高开关速度、低导通电压降、高饱和电流以及出色的高温工作能力等特点，特别适合应用在电动汽车领域。随着电动汽车的普及和客户需求的提高，IGBT门极驱动技术面临着更多的挑战。为了满足电动汽车驱动电动机的高精度和高速运行需求，IGBT必须能够快速响应高频控制信号，这就要求门极驱动技术能够提供高速的电流放大和驱动能力。同时，为了延长电动汽车的续航里程，降低驱动电路的功耗成为关键。低功耗的门极驱动技术有助于提升系统效率，并降低对驱动电源的依赖。此外，IGBT的高温度工作能力也要求门极驱动技术具备在高温环境下稳定工作的能力。鉴于电动汽车行业的严格标准，门极驱动技术还需提供更为全面和深入的保护功能，以确保系统的安全可靠运行。

二、 IGBT门极驱动要求

为了让IGBT门极驱动可以正常运作，以下几个要素必须关注：

1、 门极驱动电压

IGBT的输入电容较大，因此要实现有效驱动，就需要提供更高的偏压。在标准室温条件下，IGBT的开通电压阈值UGE(th)通常在4至6V之间。由于寄生电容的存在，开通时会出现一个显著的大电流脉冲，这就要求在驱动电源上配备足够的支撑电容，以应对这种短时大电流需求。通常的设计准则是，每1微法的电容对应配置3.3微法的支撑电容。为了降低导通压降，实际应用中选择的UGE值应大于UGE(th)的1.5至3倍。随着UGE的增加，IGBT的导通压降会相应减小，从而有效减少开通过程中的能量损耗。然而，必须注意的是，在负载发生短路的情况下，提高UGE会导致集电极电流IC增大，这可能使得IGBT能够承受的短路脉宽变窄，进而影响其可靠性和安全性。此外，IGBT门极的电压承受能力一般限制在20V以内。由于米勒电容的存在，半桥电路中一个IGBT的开、关动作产生的dV/dt会对另一个IGBT的门极产生影响，极端情况下可能导致上下管短路。因此，配置适当的关断负压是必要的。但需要注意的是，关断负压设置过大也会增加IGBT的开关损耗，所以设计人员需要根据实际情况进行权衡和配置。综上所述，设计IGBT驱动电路时，需要综合考虑开通电压、支撑电容、导通压降、短路电流、门极电压承受能力和关断负压等多个因素，以确保IGBT的稳定、高效和安全运行。

2、 门极电阻

若想改变门极脉冲的上升和下降边沿斜率，并减小IGBT集电极上的电压尖峰，可在IGBT门极串上接入合适的电阻Rg。在选择Rg时需谨慎：过大的电阻会增加IGBT的导通时间和发热损耗，而过小的电阻虽能减小di/dt，但可能引发误触发和IGBT损坏的风险。特别是在低温环境中，由于二极管特性，过小的Rg还易导致门极振荡。因此，选择Rg值时应全面考虑IGBT的电流容量、电压额定值、应用环境及开关频率等关键因素。

3、门极布线

在进行门极布线时，合理的布线可以起到非常重要的辅助作用，能够有效地防止潜在的震荡现象的发生，降低噪声的干扰。在进行门极布线时，需要注意以下几点来确保布线的合理性和有效性。

（1） 在进行门极布线时，需要注意的是尽量减少驱动器的输出级和IGBT 之间可能存在的寄生电感，并尽量减小驱动回路所占据的面积。

（2） 为了减少功率电路和控制电路之间的电磁耦合，应正确地安置栅极驱动板或屏蔽驱动电路。

（3） 为了连接驱动电路，可以使用辅助发射极端子将其连接起来。

（4） 如果驱动电路输出无法直接连接到IGBT 的门极，那么应该使用双绞线进行连接（2r/cm）。

（5） 在进行门极保护时，箝位元件应该尽量靠近门、射极以确保有效的保护。

三、门极驱动技术的现状

目前，低成本门极驱动产品仍采用传统的基本阻控型门极驱动技术，这种技术的主要作用是向IGBT的门极提供合适的电压和电流，确保其运行在适宜的电压和电流区间内。然而，它在保护功能方面相对有限，主要限于提供过压保护和过流保护等基本功能。对于电动汽车应用中所需的过温保护和短路保护等功能存在不足，不能满足电动汽车应用需要的“全面保护”和“复杂逻辑”。有源门极驱动技术和状态监控、功能安全等高级功能开始逐步应用于驱动产品中。

1、 增强的保护功能

部分门极驱动产品在传统的基本阻控型门极驱动技术的基础上进行了升级，加强了保护功能。比如，新增了过温保护电路，一旦IGBT温度超出设定范围，驱动电路便会自动切断输出信号，防止IGBT因过热受损。同时，产品还加入了短路保护电路和电流限制功能。这些增强措施使得门极驱动产品在保护IGBT方面更为可靠，进而提升了系统的整体稳定性和安全性。

2、有源门极驱动技术

有源门极驱动技术是一种相对较新的技术，它主要通过为IGBT提供额外的驱动电源来改善驱动效果。与传统的基本阻控型门极驱动技术相比，有源门极驱动技术不仅能提供更高的电流和更低的电阻，还能实现更快的开关速度和更好的电压控制。此技术能有效提升IGBT的开关速度和响应时间，减少能量损耗和电磁干扰。特别是在高频应用场景下，有源门极驱动技术展现出更大的优势，提供更高的频率响应并降低开关损耗。

3、状态监控技术和功能安全

随着电力电子产品的持续进步，系统状态监控与功能安全的需求日益增强。状态监控技术能够实时检测IGBT的电流、电压、温度等关键参数，并通过串口或其他通信手段，将这些数据传送至控制系统，进而实现系统状态的即时监控与故障诊断。功能安全则是指电动汽车在运行过程中，系统能安全运作并避免对人员或环境造成重大损害的能力。在门极驱动技术中，功能安全主要体现在对保护逻辑的自我检测，以及在车辆发生异常时迅速进入安全状态。例如，当驱动系统出现故障时，驱动电路能够根据指令迅速使系统转入安全状态，从而最大程度地减少故障对车辆及司乘人员的潜在危害。这些状态监控技术与功能安全功能的引入，不仅显著提升了门极驱动产品的可靠性和安全性，更为系统的稳定运行提供了有力保障。

四、 未来的发展方向

1、丰富的可配置性

为应对多样化的应用环境，驱动器能够借助SPI技术设定一系列基础参数。举例来说，IGBT与SiC在驱动电压幅值的需求上存在差异，同时，不同生产厂商的SiC在驱动电压幅值上也存在微妙的差别。为了提升保护机制的精确度，我们可以对驱动电源的欠压和过压阈值进行个性化的配置。而针对门极的双输出驱动设计，能够兼容更多的IGBT，进而提升整个系统的运行效率。此外，我们还可以设定不同的DESAT保护阈值以及检测电流，以满足不同的应用需求。通过对同一半桥的驱动器进行配置，可以实现无需额外电路的主动放电功能，进一步简化了系统结构。

2、多样的功能安全需求

鉴于司乘人员的生命安全日益受到关注，各大主机厂家对功能安全的重视程度也在不断提升。为达到功能安全硬件度量指标的标准，新型驱动器通常配备多样化的状态监控及保护功能（安全机制），诸如IGBT门极监控、饱和电压监控等。这些机制旨在全方位保障驱动器的稳定运行。为了提高系统的可靠性和安全机制覆盖率，驱动器还具备上电自检功能。在每个驾驶周期伊始，驱动器会对自身的安全机制及内部功能模块进行详尽的自检，确保所有部件都处于最佳状态。在车辆高速运行过程中，一旦出现故障，驱动器会通过预设的安全路径迅速进入安全状态（ASC，即驱动电动机主动短路），以最大限度地保障驾乘安全。此外，为了简化电路布局并提高安全路径的可靠性，驱动器在低压侧和高压侧分别配置了符合不同需求的安全路径控制端口。这些设计不仅提升了系统的整体安全性，也为车辆的安全运行提供了有力保障。

3、结温的监控能力

随着电动汽车市场的竞争愈发激烈，对IGBT的“出电流能力”要求也在不断提升，这使得电动汽车领域的IGBT平均工作结温显著上升。目前，业界主要依赖结温估算技术来评估和保护IGBT，但这种方法由于IGBT热传导的延迟以及NTC温度的偏差，往往存在滞后性和误差。

为了改进这一状况，部分IGBT制造商选择在IGBT芯片上嵌入温敏二极管。这种二极管可以通过测量其导通压降数据，进而转化为IGBT的结温。然而，在电动汽车领域，广泛使用的IGBT功率模块内部通常包含多个并联的IGBT芯片，这使得通过二极管形式获取结温数据变得相当困难。此外，嵌入二极管还可能降低IGBT芯片的正常导流能力。尽管如此，为了提高IGBT的应用可靠性，这种嵌入温敏二极管的方法仍被视为一种有效的解决方案。由于热敏二极管的导通压降是模拟量，并且导通压降与温度之间的关系需要校正，这就对驱动器提出了更高的要求。为了满足这些要求，驱动器需要配备高精度的AD转换器，并能够配置专用的逻辑模块，以便对热敏二极管的压降和温度进行“自校正”。通过这种方法，不仅可以更准确地评估和保护IGBT，还可以提高电动汽车的性能和可靠性，为市场的持续发展提供有力支持。

4、健康监控或预测功能

鉴于电动汽车工况的复杂性、驾驶员操作习惯的多样性以及汽车运行寿命的高标准要求，IGBT的可靠性显得尤为关键。除了强化IGBT本体的可靠性外，对其状态的严密监控同样至关重要。一般而言，可以通过一系列参数来辨识IGBT的寿命状况，这些参数包括门极开通阈值电压、饱和压降、热阻以及漏电流等。在每个车辆驾驶周期开始时，执行一次弱开通测试（即门极开通电压低于正常开通电压）是行之有效的做法。通过这一测试，我们能够采集到IGBT的门极开通阈值电压数据，从而为其健康状态提供评判依据。然而，从IGBT疲劳失效的机理来看，饱和压降作为健康评判标准更为精准和充分。因此，在每个驾驶周期开始时，利用微小电流法采集饱和压降数据，将成为我们判断IGBT健康状态的重要依据。在实际操作中，考虑到温度、电路精度以及各厂家技术水平的差异，一般会对采集到的6个IGBT的饱和压降进行对比分析。通过这种方法，能够更加准确地判定IGBT的健康状态。

五、 结语

在新能源汽车的核心功率器件——汽车电控IGBT模块方面，过去一直受到英飞凌、三菱电机等国外巨头的控制。近年来，随着国内新能源汽车产业的飞速发展，产业链上游的国产替代步伐正在加快，诸如比亚迪半导体、中车时代、士兰微、翠展微等国内企业正在不断崛起，已经能够在一定程度上满足国内对IGBT模块的需求，甚至有望引领世界潮流。放眼未来我们有理由相信，国内的汽车半导体企业将会更加强劲，在整车制造、动力电池及电池材料等领域，将会展现出更加辉煌的成就。