基于三菱智能功率模块的电动汽车驱动系统设计

摘要：随着人们环保意识的增强，“绿色”电动汽车受到人们的广泛关注。介绍了日本三菱公司生产的第五代L型智能功率模块的特点、完善的保护功能，以及在电动汽车驱动系统设计中的应用。实际测试表明，该器件完全满足电动汽车驱动系统的使用要求，值得推广。

关键词：三菱；智能功率模块；电动汽车；驱动系统；设计

1引言

随着石油资源日趋紧张及环境恶化，政府部门陆续出台各种政策，鼓励企业发展新能源产业，而电动汽车因为其具有的污染物零排放、效率高、性价比高、安全可靠等一系列的优点，使之成为理想的“绿色”机动车辆，受到人们的广泛关注，促使电动汽车产业的飞速发展。电动汽车的核心部分主要有驱动系统、电机和电池三部分组成。其中驱动系统中的功率开关器件是提高效率、降低功耗、延长电机寿命和提高系统可靠性的关键[1]。

随着计算机技术、电力电子技术、半导体技术以及自动控制理论的飞速发展, 驱动系统的核心功率变换器件也不断的升级换代。目前，驱动系统的逆变部分还是采用正弦脉宽调制（SPWM）控制理论，传统的双极性晶体管由于其较低的开关频率，并不适合高频率SPWM控制，且由于控制方式采用的是脉冲幅度调制（PAM），导致逆变器的输出含有大量的谐波成分，电机容易损坏。绝缘柵极场效应管（IGBT）具有大功率晶体管（GTR）高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及场效应晶体管（MOSFET）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，并且输入阻抗高和死区时间小[2]，它已经代替了MOSFET和GTR，成为最主要的功率变换器件，被广泛用于变频器、太阳能、蓄电池（EPS）系统和交流伺服驱动器等设备上。本文介绍日本三菱公司生产的第五代L型IPM模块在电动汽车上的应用。该模块内部集成IGBT芯片和各种驱动保护电路，使得驱动系统的设计及调试工作变得简单，产品可靠性也得到了保证，满足批量生产的需要。

2 IPM 智能模块简介

智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写，三菱第五代L型IPM模块外形，如图1所示。

图 1 三菱L型IPM外形图

IPM模块采用全闸门载流子储存的沟槽栅双极晶体管（CSTBT）芯片，是一种先进的功率开关器件,实现了极低的模块压降、低损耗、高效率，节电效果良好等优点，非常适合开关频率小于20kHz的各种功率变换设备的应用。IPM模块内部集成电流传感器用于监视功率

器件的输出电流值，从而实现完善的过电流和负载的短路保护功能。为了进一步提高模块的性能和增强稳定性，其内部还集成有温度检测和欠电压保护电路，使之有足够的自我保护能力。即使出现控制电压不足或过热等故障，IPM也会发出封锁信号，从而保护IPM不受损坏。IPM的内部电路原理框图，见图2 [2]。

图 2 IPM的内部电路原理框图

3 IPM完善的保护功能

IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路, 用于防止外部干扰造成的误动作和过流或短路时造成的IGBT芯片损坏。为了实时检测IGBT的输出电流，在IPM模块内部放置了许多电流传感器，这些传感器的输出信号直接反馈到内部处理电路上，以便进行各种故障判断。IPM内部集成有各中故障保护电路，包括过流保护、短路保护以及欠压保护，当IPM出现异常状态时，以上的保护功能只要有一个发出信号，就会立即关断IGBT的输出，同时IPM发出故障信号Fo，以便上位机做出及时处理。IPM内部集成的这些功能，使用起来非常方便，并且极大的减少了系统开发时间，同时提高了故障下的自我保护能力，也大大的增强了系统的可靠性[3]。

3.1过流保护

当IPM检测到IGBT的输出电流值超出过电流的阈值并且持续时间超过过流延迟时间, IPM会封锁IGBT的输出并输出一个报警信号。对于最新一代的IPM模块，过流延迟时间toff为10μs,当电流传感器检测到瞬时的脉冲电流持续时间小于10μs，即使幅值超过过电流阈值，该控制电路也不发出报警信号。为了更高效的保护IGBT，当出现过电流故障时，系统缓慢的关断IGBT，这样可以避免关断时产生的大电流的浪涌冲击电压，从而提高了IGBT工作的可靠性。这样的电流检测和处理技术可以检测出各种负载发生的过流故障，包括电机出现的对地短路。

3.2短路保护

如果因为某些原因发生负载发生短路或控制系统故障导致上下臂直通的情况, 由于IPM模块内部集成了最新技术的电流传感器以及短路保护处理电路，该电路响应时间极快，动作时间小于100ns，并可以实时检测IGBT输出电流值，一旦出现上述的短路情况，IPM立即关断IGBT的输出，同时发出故障型号给上位机进行处理。在三菱最新的第五代IPM中，采取了多种技术手段用来避免IPM中的IGBT因为短路而受到破坏，最基本也是最重要的技术便是出现短路时IGBT在10μs之内必须关断。因此IGBT的驱动和控制电路（包括吸收电路）都经过了特殊设计，使之满足短路保护的使用要求，尤其是通过检测栅极与发射极之间的电压VGE值来进行IGBT的关断的技术，确保可以及时进行IGBT的短路保护，同时还减小了IGBT内部承受的电应力和温度应力，下面是该技术的简要介绍。

1)降低短路电流

通过技术逐步减小栅极电压，此时随着IGBT的关断，短路电流随着沟道电阻值的逐渐增大而减少，并且di/dt也随之减小，直到最后IGBT完全关断，通过这种技术降低了关断时的尖峰电压。

2)栅极与发射极电压（VGE）

VGE电压值的大小取决于发生短路时的短路电流，该值完全取决于栅极和集电极的dv/dt。为了减少由于dv/dt对IGBT驱动信号带来的影响，常用方法是通过并接稳压二极管使电压值稳定，该电路图见图3。

图 3 VGE 箝位电路原理图

为了防止干扰对IGBT驱动信号造成的误动作，箝位二极管必须选用超快恢复二极管，同时在电路设计时，并且其必须与IGBT模块的信号端子直接相连。在一些小功率IPM模块中，为保证IGBT的驱动电压稳定可靠，在靠近IGBT的栅极和发射极之间加双16～18V稳压管，以箝位dv/dt引起的耦合到栅极的电压尖峰。

3)缩短短路时间

由于短路时会产生大量的热量，为了降低模块此时的热应力，需要降低短路的持续时间，但是由于时间的缩短，会导致di/dt的增加，所以必须利用上面介绍的两项技术来避免缩短短路时间对IGBT造成的热应力增加。

3.3欠压报警

IPM内部控制电路的正常工作电压是15V。但是该电压值低于12.5V的欠压关断阀值并且持续时间超过toff=10ms，IPM模块封锁输出并发出故障信号。当电源电压高于欠压复位值，系统恢复正常工作。因为干扰使电源电压出现毛刺电压，但是持续时间小于10ms，欠压检测电路会忽略毛刺，控制电路仍旧会正常工作。

3.4过热保护

为了避免IGBT的温度超过过热动作设定值，在IGBT的附近装有温度传感器，当温度传感器检测到IGBT的温度超过设定值时，IPM内部集成的控制电路发出一个截止信号，封锁栅极驱动，同时发出故障信号，提示IPM发生过热报警，直到温度恢复正常。当温度降低到复位温度值以下，并且控制电平为高电平，在下一个低电平信号输入时，功率器件将恢复正常状态。

4 电动汽车驱动系统设计中三菱IPM的应用

电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，其中驱动系统的效率、电流输出能力和可靠性指标又是最重要的因素[4]。而三菱最新一代的智能功率模块因为具有以下特点：体积小巧、转换效率高、载波频率高、保护功能完善、可靠性高，控制简单，方便和上位机进行连接，非常满足电动汽车中对控制系统的设计输入要求，因此选用三菱的最新一代IPM模块PM50CL1A060进行电动汽车控制系统的开发。在使用该智能功率模块进行系统设计时，从性能和可靠性指标分析，需要重点考虑以下几个因素。

1)为了防止产生传导干扰，上位机和IPM模块之间要采样高速光耦A3120进行隔离。

2)为保证驱动系统具有足够的过载能力，满足车辆的启动和超车需求，IPM的电流值要按照电机的额定电流值的倍数进行确定[4]。

3)需要合理的进行热设计，保证IGBT工作的温度值始终小于最大结温值 (150℃)。

5 结语

利用专业的控制器测试平台，对电动汽车驱动系统进行各种性能测试, 测试结果表明，该系统完全达到了设计要求, 因为采用最新一代的IPM模块，各种保护功能更加完善并具有很高的可靠性指标，同时IPM采用的新一代IGBT芯片降低了系统的整体功耗提高了系统效率。并且IPM模块安装简单、可维修性强。上述特点使之适于包括电动汽车在内的多种应用，该方案具有良好的推广意义[3]。

参考文献:

[1]杜宇人,张正华.变频式电动轻便车智能控制系统的设计[J].现代电子技术, 2000（11）：39-41.

[2] 仇志坚,何礼高,邓智泉.一种基于第四代IPM的集成化小功率逆变器设计[J]. 机床电器.2003(10):32-34.

[3] 李从飞，陈凡，刘涤尘. IPM使用过程中若干问题的研究[J]. 电气应用，2005（10）：24-26.

[4] 窦国珍.节能型电动车交流驱动系统的研究和设计[J]. 电机与电器,2003（8）:42-46.

（作者：丁云飞，1978年生，高级工程师，工学学士，一直从事高档数控机床、全数字总线数控系统及伺服驱动等产品的研发项目管理及品质管理工作。）