第４５卷第１２期２０１１年１２月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｉ．４５，Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１１用于新能源汽车ＩＧＢＴｓ分立器件并联技术分析刘丹１，肖ｉ｝占１，刘为文２１０００３６）（１．航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏南京２１１１０２；２●匕京西能电子科技发展有限公司，北京摘要：针对新能源汽车应用涉及的各种电力变换单元，从ＩＧＢＴｓ和ＭＯＳＦＥＴ的芯片结构特点、输出特性以及市场价格等方面比较．指出ＩＧＢＴｓ分立器件并联技术更适合车载充电器、充电桩以及１０ｋＷ以下电机驱动控制器：接着通过ＩＧＢＴｓ的开关过程分析，强调了ＩＧＢＴｓ分立器件并联应用中的设计要点；最后提供了ＩＧＢＴｓ分立器件并联用于车载升压型小功率电机驱动控制器的主回路设计和均流实验波形，对新能源汽车电控单元产品和系统开发有一定的借鉴和指导意义。关键词：电动汽车；分立器件；并联技术中图分类号：Ｕ４６９．７２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－－ＩＯＯＸ（２０１１）１２－００６６－０３ＰａｒａｌｌｅｌＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｏｗｅｒＤｉｓｃｒｅｔｅＩＧＢＴｓｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＵＵＤａｎｌ。ＸＩＡ０Ｚｈｅｌ，ＬＩＵＷｅｉ－ｗｅｎ２（１．ＫｅｙＬａｂｏｆＡ讹哮Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ１０ｋＷｉｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ跏ｌｅｍ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０２，Ｃｈｉｎａ）ｏｎＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｓｏｕｔｐａｒａｌｌｅｌｏｆＩＧＢＴｓｅｒｐｏｗｅｒｄｉｓｃｒｅｔｅｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｏｎｂｏａｒｄｃｈａｒｇｅｒ，ｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇ－ｐｉｌｅａｎｄｍｏｍｒｉｎｖｅｒｔｅｒｂｅｌｏｗｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｆｔｅｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｃｈｉｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｍａｒｋｅｔｐｒｉｃｅ《ＩＧＢＴｓａｎｄＭＯＳＦＥＴ．ＦｏｌｌｏｗｉｎｇｗｉｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆＩＧＢＴｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇ．ｋｅｙｄｉｓｃｒｅｔｅａ弛ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．ＡｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｍｏｏｒｐｏｉｎｔｓｏｎｐａｒａｌｌｅｌｏｆＩＧＢＴｓａＩｅｐｏｗｅｒａｎｄｍａｉｎｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈＢｏｏｓｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｗａｖＬ强ｏｒｒｆｌ８ｕｓｅｆｕｌｆｏｒｒａｉｓｅｄｉｎｌｏｗｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｍｅｄｉｕｍｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｃｈａｐｔｅｒｉｓｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ。Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ；ｐｏｗｅｒｄｉｓｃｒｅｔｅ；ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ１引言本。续航里程远要求必须有高转换效率，正确选择电源变换模块中的高频电力电子开关器件是保证新能源汽车的技术成熟和市场普及在中国还需慢慢培育，然而汽车的电子化和电气化将成为未来汽车发展的必然趋势。其对提高汽车驾驶的动力性、安全性、经济性、环境保护方面以及解决人类的能源问题提供了有效的解决方案。作为我高效的主要因素；对新能源汽车而言，主要成本由动力电池和车载变频器组成，其中高频电力电子开关器件约占３０％以上的电源变换模块成本。高频电力电子开关器件有较多选择，如ＭＯＳＦＥＴ。ＩＧＢＴｓ，快恢复二极管和碳化硅二极管。新能源汽车上车载充电器、充电桩及１０ｋＷ以下电机驱动．开关频率约３０ｋＨｚ，根据直流母线电压情况。ＩＧＢＴｓ和ＭＯＳＦＥＴ均有广泛使用。２．２国新能源汽车长远规划的重点方向一纯电动汽车的开发和产业化成为国内产业界投入的热点。２原理与设计２．１功率变换单元和功率开关器件纯电动汽车的能源供给系统和动力总成系统ＩＧＢＴｓ与ＭｏＳＦＥＴ的比较一般而言，ＭＯＳＦＥＴ的芯片用于５０ｋＨｚ以上的主要部件一电池和电池管理系统ＢＭＳ，车载变频器、车载充电器。本质上，他们是不同形式的电源变换。最终用户最关心的是续航里程和使用成高频开关电源，市场上ＭＯＳＦＥＴ最大耐压９００Ｖ。更高的耐电压成本高．芯片技术发展主要集中在减少通态电阻上；ＩＧＢＴｓ产品系列较多。尤其快速ＩＧＢＴｓ主要适合６０ｋＨｚ以下的各种电源变换和电机控制等，特别在６００Ｖ耐压值以上性价比较高，正逐步替代ＭＯＳＦＥＴ。芯片技术发展主要是实现通态饱和压降和开关损耗之间的平衡．并尽量降低拖尾电流的影响［ｉ－２］。定稿日期：２０１Ｉ－１０－１９作者简介：刘丹（１９６９一），女，湖北襄阳人，硕士，高级工程师。研究方向为特种电机驱动的高效率和高性能控制。６６万方数据用于新能源汽车ＩＧＢＴｓ分立器件并联技术分析先比较ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴｓ的芯片结构。ＩＧＢＴｓ有额外的Ｐ区．使ｎ层的导电率增加，从而使ＩＧＢＴｓ通态电压大幅降低，而ＭＯＳＦＥＴ通态电阻大。主要是因为其芯片ｎ－中间区域掺杂的浓度低。但这是满足耐压要求必须的。故芯片结构决定了高压ＭＯＳＦＥＴ的通态压降比ＩＧＢＴｓ高得多。通过图１中第３代ＣｏｏｌＭｏｓＴＭＳＰＷ４７Ｎ６０Ｃ３与第３代快速ＩＧＢＴ４器件ＩＫＷ５０Ｎ６０Ｈ３的输出特性比较，可得。ＩＧＢＴｓ通态电阻等效约为ＭＯＳＦＥＴ的１１３。．１Ｇ王ｒ３Ｈ宴５ＱＡ？．ＣＤ‘Ｍｏｘ．￥Ｏｎ山—并……Ｉ二ｏ（Ｍｏｓ且Ｏｍ．０罕彪｛０二乡一牝“ｃｃ。ｕ，ｌｓ／Ｖ“ｃｅ。／／ｄｓ／Ｖ（ａ）结温２５９Ｃ时（ｂ）结潞ｔ５０℃时图１ＩＧＢＴｓ和ＣｏｏｌＭｏｓＴＭ的输出特性对比高频开关器件选择除考虑其输出特性外。还５０Ａ额定ｍｊｎＩ／４０ＩＩ疵的输出特Ａ，运行温度低的场合，后者反之。从市场大量应用的ＣｏｏｌＭｏｓＴＭＳＰＷ４７Ｎ６０Ｃ３ＩＫＷ５０Ｎ６０Ｈ３价格比较．后者价格将近ｋＷ以下电ＩＧＢＴｓ的开关过程分析ＩＧＢＴｓ包含ＩＧＢＴ芯片和反并联的续流快恢复米勒效应米勒效应实际上是ＩＧＢＴｓｆ－ｊ极、集电极电容万方数据ｔ／ｇｓ图２带续流二极管回路的ＩＧＢＴｓ开通过程分析关断过程中米勒效应在门极的反馈与开通过程中正好逆向。所以米勒效应在开通和关断开始过程中，门极电流用作改变巳的电荷变化，从而导致门极的充电或放电过程变慢。２．３．２续流快恢复二极管对开关的影响由于ＩＧＢＴ常用于斩波和变频器等感性负载，在其关断时．需反并联续流二极管让负载电流流通。在ＩＧＢＴｓ重新开通时，续流二极管相当于短路，要使续流二极管阻断，必须将其反向恢复储存电荷Ｑ。移走，形成反向恢复电流Ｌ，叠加在负载电流上．全部流过ＩＧＢＴ。当负载电流完全流过ＩＧＢＴ时，反向恢复结束。应用中希望Ｑ。和，丌越小越好。门极电阻和门极电压对开关过程的影响门极电阻Ｒ。对关断影响不明显，主要对开通影响较大。表现在开通能耗瓯和ｄｕ／ｄｔ以及ＩＧＢＴ的电流尖峰。％范围在±２０Ｖ，％越高，则Ｕｃｅ（－，）越低，通态短路电流的时间变小。在新能源汽车上，推荐使Ｖ关断ＩＧＢＴｓ。虽然对门极驱动的电流ＩＧＢＴｓ的短路行为短路时．最大的集电极电流由ＩＧＢＴ的输出特ｖ，使短路电流进一步增加。为了有效％，ＩＧＢＴｓ分立器件并联应用设计要点在１０ｋＷ以下中小功率等级应用场合，相对６７需考虑输出特性受温度的影响。图１是结温分别为２５℃和１５０℃下第１代快速ＩＧＢＴｓ２．３．３值和ＣｏｏｌＭｏｓＴＭ通态电阻８０性对比。可见，具有可比性的同等负载电流能力和耐电压的ＣｏｏｌＭｏｓＴＭ与ＩＧＢＴｓ相比．前者适用于小于１５和ＩＧＢＴｓ便宜２０％，性价比较高。因此，快速ＩＧＢＴｓ分立器件更适合车载充电器、充电桩以及１０机驱动逆变器等应用。但需要解决好并联均流技损耗越低。但短路时的电流也越大，器件能承担大用一１０—１５和功率要求相对较高，但能保证可靠关断，关断损耗约减小１０％。２．４术，而实现并联均流需要对ＩＧＢＴｓ的开关特性有很好的理解。２．３性决定。如前所述，与％和运行温度相关，同时还与短路点的阻抗有关。ＩＧＢＴｓ必须工作在短路安全工作区内，且必须在５～１０斗８内关断。关断时由于米勒效应，对‰充电，可能突破允许值，约达到３０二极管。ＩＧＢＴｓ的开关过程受米勒效应、续流快恢复二极管、门极电阻和门极驱动电压等因素的影响，并将影响并联应用的静态和动态均流过程。２．３．１可用有源箝位电路。使短路电流峰值减少【３】。同时．为避免短路关断过程中，高压ｌ‘。击穿ＩＧＢＴ，可应用软关断ＩＣ，如１ＥＤ０２０１１２一ＦｒＡ，即有２级门极关断。２．５Ｇ将‰变化反馈在门极上。在ＩＧＢＴｓ开通过程开始时，‰为高电压，门极电压‰为零或负电压，门极充电电流大小不变，％线性增加；‰下降时，门极偏置电流用来补充Ｇ变化后电荷的变化，ｕ萨保持不变；随着‰下降，ｑ变大，‰变化斜率变小，门极偏置电流刚好弥补这种变化，“。ＩＧＢＴｓ模块。ＩＧＢＴｓ分立器件并联很有吸引力。主要优势为：结构设计灵活，散热方便。价格便宜；主仍然保持不变；最后当偏置电流比门极所需充电的电流大时，％开始缓慢上升，如图２所示。要挑战为：电流均流分配和损耗的控制。借鉴大功率ＩＧＢＴ并联运行时均流问题研究１４１。ＩＧＢＴｓ分立第４５卷第１２期２０１１年１２月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｎｉｃｓＶ０１．４５，Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０ｌ１器件并联具有相近特点。阻断状态下，并联基本没有问题。高频开关过程中则要特别注意。通态时静态均流电流与器件本身／／＇ｃ。（。），ｇｔ，，Ｕｔｈ有关。图３为２片第１代ＩＧＢＴｓＢＵＰ４０２在同样‰（。，下，由于输出特性差异性，负载电流的均流差异将近８Ａ。实际应用过程中，‰㈤低的ＩＧＢＴｓ由于并联关系，会流过更大的电流，这样其通态损耗更大．温升更高。ｔｔ∞（ｓｉｔ）／Ｖ图３２片ＢＵＰ４０２输出特性的差异性影响静态均流的另一个因素是ＩＧＢＴｓ输出特性与温度的关系。输出特性‰。。，随温度变化关系可分为正温度系数和负温度系数。如图４ａ所示。在正温度系数部分，温度越高的器件，承担的负载电流越小，这样能起到电流均衡作用。在负温度系数部分，温度越高的器件，承担的负载电流越大．这样对电流均衡的差异起到放大作用。开关过程中动态均流过程和差异电流主要由ＩＧＢＴｓ传输特性的差异产生，如图４ｂ所示，显然传输特性陡的ＩＧＢＴｓ承担的电流大，其关断损耗就大。由于ＩＧＢＴｓ是Ｍｏｓ控制的器件，其门极电压与温度呈正温度系数。在关断过程中，若‰不变，米勒效应的差异影响动态均流的差异。Ｈｇｃ＝５Ｖ２５弋∥。｜止蜢矗腰糸散一扩１２：ｆ，｝℃／：…一？７“ｋ‰，ｔ．？一上７—Ｚ负温妥．／ＬＬ糸嚣－汐、ｊ夕—．．占多医２｝警Ｕｃｃ（ｓａｔ）／Ｖ“ｇｃ／Ｖ（ａ）不问温度下ＩＧＢＴ输出特性（ｂ）ＩＧＢＴ＇ｆ÷输特性的筹异性图４ＩＧＢＴ不同温度下输出特性和ＩＧＢＴ传输特性开通过程的均流与传输特性差异关系不大。主要受续流快恢复二极管差异的影响．开通损耗的大小取决于其ｄｉ他。在短路情况下．短路电流为负的温度系数，温度越高，短路电流越小。易于并联ＩＧＢＴｓ。另外，除器件本身的差异外．均流效果还与驱动回路和功率主回路布局相关。设计均流的方法为：①ＩＧＢＴｓ的应用回路布置要对称，尤其是门极驱动回路的发射极杂散电感：②不同的门极电阻可作为电流均衡调节的一个补充方法：③选择输出特性为正温度系数的ＩＧＢＴｓ并联。６８万方数据３车载升压型小功率电机控制器的应用图５示出升压和电机控制器拓扑，ＤＣ／ＤＣ升压采用多相时间移动控制方式，使用２片第２代快速ＩＧＢＴｓＩＫＷ４０Ｎ１２０Ｔ２并联，共１２片／套，开关频率３０—４０ｋＨｚ。输入直流电压由２００Ｖ升至５００Ｖ，ＰＭＳＭ电机额定功率为１０ｋＷ。逆变回路则为常规的３相全桥逆变单元。在保证性能情况下，该方案体积减少，成本大幅降低。◆德￡图５ＤＣ／ＤＣ升压和电机控制器主电路拓扑实验给出了ＤＣ／ＤＣ部分在感性负载情况下的ＶＳ¨两并联开关的电流均流波形，如图６所示，每路负载电流为１５Ａ。由实验结果可见，开通、关断和通态过程中，ＩＧＢＴｓ的均流一致性很好，证明了以上分析对ＩＧＢＴｓ的并联应用是可行的。ｔ／（１０ｔａｓ／格）图６感性负载时单周期每路１５Ａ时的均流波形４结论此处通过对ＩＧＢＴｓ开关特性分析，指出了输出特性差异及输出特性与温度的关系影响ＩＧＢＴｓ分立器件并联静态均流；ＩＧＢＴｓ传输特性的差异影响开关过程中动态均流；另外从应用设计上，门极电阻选择和电路的对称布置都是均流需注意的要点。最后提供了车载升压型中小功率电机控制器主回路拓扑．给出了ＤＣ／ＤＣ升压部分的实验均流波形，展示了较好的均流效果。从技术路线和价格成本而言。快速ＩＧＢＴｓ分离器件用于升压型中小功率电机控制器具有一定价值。参考文献【ｌ】Ｉｒｄｌｎｅｏｎ．ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓＢｅｔｗｅｅｎＭＯＳＦＥＴａｎｄＩＧＢ＇Ｉ＇［Ｓ］．２００９．【２１Ｉｎｆｉｎｅｏｎ．Ａｐｐ＿．ｎｏｔｅＨＳ３ＩＧＢＴ１２００Ｖ＿Ｎｏｖ０９＿ｖＯｌ【Ｓ】．２００９．【３】Ｉｎｆｉｎｅｏｎ．ＡＮｅｗＩＧＢＴＧａｔｅＵｎｉｔｆｏｒＨｉｓｈＣｕｒｒｅｎｔＨｉｓｈＶｏｌｔａｇｅＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅｓ［Ｓ］．２００９．【４】查申森，郑建勇，苏麟，等．大功率ＩＧＢＴ并联运行时均流问题研究【Ｊ】．电力自动化设备，２００５，２５（７）：３２—３４．
