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摘要：由于电动汽车及混合动力机车的电池工作电压范围较大，在刹车能量回收、发电机发电、短路保护等工况下，防止IGBT产生过压失效成为一个必须深入研究的课题。有源电压钳位功能作为防止IGBT过压失效的有效手段开始有所应用，本文对几种有源电压钳位的具体方式和效果进行了分析，并提出在有源电压钳位在电动汽车IGBT驱动应用中的优化建议。
关键词：有源电压钳位；电动汽车；门极驱动电路；IGBT短路保护；电压尖峰抑制
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.015
要采用更大功率的电机和更大功率的IGBT模块。在同样功率情况下，母线电压越高，系统的额定电流越小，系统的损耗也越低，同时还可以减小导线截面积，从而减轻车重。因此，在系统承受的范围内采用较高的母线电压成为电动汽车开发的方向。
此外，在刹车能量回收、发电机发电工作等工况下，系统往往工作于超过额定母线电压的工况下。尤其是为了尽量回收下坡时电动汽车的重力势能，系统往往工作在允许的最高电压状态。然而IGBT关断时产生的Vce电压尖峰叠加在上述较高的母线电压上（见图1)，有超过IGBT耐压值导致IGBT过压失效的风险。这也是IGBT失效的最典型的原因之一。
因此，为满足电动汽车及混合动力汽车较高母线电压下工作的需要，在IGBT关断使Vce接近耐压值时对电压尖峰的抑制是非常必要的。
有源电压箝位方案的优势
IGBT关断电压尖峰是由系统寄生电感和关断电流变化率决定的，计算公式如下：
Vs=Ls * di/dt
Ls表示系统寄生电感，di/dt表示关断时流过IGBT的电流变化率，在系统设计方面通常采用叠层母排技术尽量减小寄生电感，增加并联在母线上的吸收电容等方式减小关断尖峰。在驱动电路方面抑制电压尖峰的方式也
复时间只有15ns，反向电压为200V的ES1D。为了凸显有源电压箝位电路的抑制电压尖峰能力，关断电阻选用了数据手册中的标称值0.8欧姆，实际电路考虑其他综合因素该值会更大一些，如2.2欧姆左右。源电压箝位的保护效果，如图8a和8b。紫色C3为门极电压波形Vge，绿色线C4为集电极电流波形Ic，蓝色线C2为电压波形Vce。
图8a是不使用有源电压箝位功能时的短路测试。由测试结果可见，母线在275V左右发生短路，关断电压尖峰为626V，已经接近HybridPACK2的650V耐压限值（blocking voltage)。
图8b是加上基本有源电压箝位电路后进行的短路测试。由测试结果可见，即使母线达到400V，短路电流比在275V下大45%，关断电压尖峰值仅为604V。可见到Vce被抑制成一个平台，同时门极电压Vge在5V形成一个电压平台，有效抑制了di/dt。
2)该设计仅使用基本有源电压箝位电路，无法适应更多变更复杂更高工作电压的环境，下一步会设计功能更加完善的有源电压箝位电路，不仅限于前文介绍的优化方法。还会考虑采用在泄放回路上串联电容的方法来控制能量的分配，以及应用更大功率IGBT时并联推挽输出级的泄放回路分配。
有源电压箝位作为一种负反馈闭环电路，在电动汽车及混合动力汽车的IGBT驱动电路中是非常必要的，拓展了可工作的母线电压、刹车能量回收、弱磁调速等高电压工况和短路保护等极限工况的可靠性提供了保障。多种优化的有源电压箝位电路进一步为系统设计的灵活性、平衡性提供了有效的支持。
关键词：有源电压钳位；电动汽车；门极驱动电路；IGBT短路保护；电压尖峰抑制
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.015
要采用更大功率的电机和更大功率的IGBT模块。在同样功率情况下，母线电压越高，系统的额定电流越小，系统的损耗也越低，同时还可以减小导线截面积，从而减轻车重。因此，在系统承受的范围内采用较高的母线电压成为电动汽车开发的方向。
此外，在刹车能量回收、发电机发电工作等工况下，系统往往工作于超过额定母线电压的工况下。尤其是为了尽量回收下坡时电动汽车的重力势能，系统往往工作在允许的最高电压状态。然而IGBT关断时产生的Vce电压尖峰叠加在上述较高的母线电压上（见图1)，有超过IGBT耐压值导致IGBT过压失效的风险。这也是IGBT失效的最典型的原因之一。
因此，为满足电动汽车及混合动力汽车较高母线电压下工作的需要，在IGBT关断使Vce接近耐压值时对电压尖峰的抑制是非常必要的。
有源电压箝位方案的优势
IGBT关断电压尖峰是由系统寄生电感和关断电流变化率决定的，计算公式如下：
Vs=Ls * di/dt
Ls表示系统寄生电感，di/dt表示关断时流过IGBT的电流变化率，在系统设计方面通常采用叠层母排技术尽量减小寄生电感，增加并联在母线上的吸收电容等方式减小关断尖峰。在驱动电路方面抑制电压尖峰的方式也
复时间只有15ns，反向电压为200V的ES1D。为了凸显有源电压箝位电路的抑制电压尖峰能力，关断电阻选用了数据手册中的标称值0.8欧姆，实际电路考虑其他综合因素该值会更大一些，如2.2欧姆左右。源电压箝位的保护效果，如图8a和8b。紫色C3为门极电压波形Vge，绿色线C4为集电极电流波形Ic，蓝色线C2为电压波形Vce。
图8a是不使用有源电压箝位功能时的短路测试。由测试结果可见，母线在275V左右发生短路，关断电压尖峰为626V，已经接近HybridPACK2的650V耐压限值（blocking voltage)。
图8b是加上基本有源电压箝位电路后进行的短路测试。由测试结果可见，即使母线达到400V，短路电流比在275V下大45%，关断电压尖峰值仅为604V。可见到Vce被抑制成一个平台，同时门极电压Vge在5V形成一个电压平台，有效抑制了di/dt。
2)该设计仅使用基本有源电压箝位电路，无法适应更多变更复杂更高工作电压的环境，下一步会设计功能更加完善的有源电压箝位电路，不仅限于前文介绍的优化方法。还会考虑采用在泄放回路上串联电容的方法来控制能量的分配，以及应用更大功率IGBT时并联推挽输出级的泄放回路分配。
有源电压箝位作为一种负反馈闭环电路，在电动汽车及混合动力汽车的IGBT驱动电路中是非常必要的，拓展了可工作的母线电压、刹车能量回收、弱磁调速等高电压工况和短路保护等极限工况的可靠性提供了保障。多种优化的有源电压箝位电路进一步为系统设计的灵活性、平衡性提供了有效的支持。