【嘉勤點評】哪吒汽車發明的應用於車載逆變器的IGBT過壓保護電路方案，將母線電壓與保護電路設計電壓進行了關聯。因此不需要改變現有硬體資源，只需調整軟體控制策略，從而可以減少故障以及增加系統可靠性。
集微網訊息，電力驅動系統能夠將電能轉換為機械能，從而驅動電動汽車行駛，是控制電動汽車最關鍵的部分。IGBT在電力驅動系統中屬於逆變器模組，其將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅動電動機。
IGBT約佔新能源汽車電機驅動系統及車載充電系統成本的40％，摺合到整車上約佔總成本的7～10％，其效能直接決定了整車的能源利用率。
由於在直流電轉交流電的換流回路中存在雜散電感，因此在IGBT關斷時會引起電壓尖峰，有引起IGBT過壓損壞的風險，這將嚴重影響新能源汽車的可靠性，現有的解決辦法通常是引入有源鉗位電路保護IGBT過壓。
如上圖，為設定了有源鉗位電路的換流回路構成圖，該有源鉗位電路包含連線在柵極和集電極之間的TVS二極體及串聯的二極體VD。但是這種換流回路存在較為嚴重的缺陷：首先，上電過程可能存在異常過壓脈衝工況，導致高壓TVS二極體損壞，由於較大能量使得TVS二極體失效短路；其次，異常過壓脈衝使TVS二極體擊穿短路後，硬體過壓故障，MCU進入下橋臂，而二極體上電壓過高觸發上橋臂有源鉗位電路使能，最終導致IGBT長時間上下橋臂直通造成短路，從而損壞整個IGBT模組。
為解決上述問題，哪吒汽車在2022年4月7日申請了一項名為“一種IGBT過壓保護電路及其控制方法”的發明專利（申請號：202210361826。5），申請人為合眾新能源汽車有限公司。
根據該專利目前公開的相關資料，讓我們一起來看看這項技術方案吧。
如上圖，為車載逆變器控制電路的結構示意圖，該逆變器包括受IGBT控制的6個開關器件。該方案中的控制方法針對有源鉗位電路保護IGBT的硬體電路，有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，如果關斷時產生的電壓尖峰太高或者太陡，都會使IGBT受到威脅。
IGBT在正常情況關斷時會產生一定電壓尖峰，但是數值不會太高。但在變流器過載或者橋臂短路時，如果要關斷管子，產生的電壓尖峰則非常高，此時IGBT非常容易被打壞。所以有源鉗位電路通常在故障狀態下才會動作，正常時不工作。
有源鉗位電路的本質在於驅動器使IGBT的關斷過程延長，目的是將雜散電感的能量耗散在IGBT上，也就是說“讓IGBT線上性區裡多待一會”。傳統的有源鉗位電路對母線電壓有非常嚴格的規定，母線電壓的數值一定要低於有源鉗位電路的門檻值，這裡所指的母線電壓不是指的電壓尖峰，而是母線電容上的電壓。
但是在電動汽車、風電、APF等應用中，常常會遇到母線電壓太高的情況。例如，電動汽車應用中，電池端直流接觸器斷開，且汽車制動時母線電壓會太高。在這種情況下，一旦母線電壓超過有源鉗位的門檻，IGBT就會進入線性區，IGBT上的損耗很大，短時間內就會失效。為此，該方案針對母線電壓的情況，分別採用兩種不同的方式進行控制。
如上圖，為該方案中發明的應用在上述結構中的方案流程圖，首先，在電機上電時，會由於脈衝而產生母線電壓。透過判斷母線電壓是否過高可以進行如下兩個操作：當其不處於正常範圍時，車載逆變器控制電路進入FW模式，IGBT關斷電路中6個開關器件的上下橋，並做出報警提示。
在該步驟中，FW即Freewheel（逆變器關斷）狀態，即與電機UVW三項形成斷路，是將逆變器的6個開關器件全部關斷，這又稱為開路保護模式。此種情況下，IGBT絕對不會導通，故處於較安全的狀態。以電驅系統搭載三相IGBT功率模組為例，透過開通IGBT上橋臂和下橋臂所有的管，逆變器進入被動整流的狀態，即為開路保護。
當電機執行在高轉速區，如果進入開路保護工作狀態，則電機產生的反電動勢高於母線電壓，經過續流二極體向高壓電池整流回饋，形成閉合迴路。此時，電機端產生較大制動轉矩，同時這種不可控的被動整流使得電機反電動勢對掛在直流母線上的器件，例如：母線電容、IGBT等，產生較大沖擊危害。
當電機執行在低轉速區，如果進入開路保護工作狀態，則電機產生的反電動勢低於母線電壓，無法經過續流二極體向高壓電池整流回饋，也就無法形成閉合迴路。此時電機端空載執行，電機反電動勢對掛在直流母線上的器件不會產生衝擊危害。
而倘若母線電壓處於正常範圍時，則車載逆變器控制電路進入ASC（主動短路保護）模式。此狀態下透過有源鉗位電路控制IGBT將逆變器中的6個開關器件的三橋或下三橋全開，與電機UVW三項形成短路，電機處於安全狀態。
最後，是上述兩種不同的工作模式的示意圖。可以看到，當母線電壓足夠大時，則進入FW開路保護工作狀態；當母線電壓不夠大，存在反電勢反超母線電壓現象時，則在低速區進入FW開路保護工作狀態，高速區進入主動短路保護工作狀態ASC。
因此，在低速區採用FW工作狀態，可以避免ASC工作狀態下產生大的制動力給車輛執行造成大沖擊以及影響駕駛舒適性。在高速區時可以採用ASC工作狀態，以避免FW工作狀態產生大的反電動勢給母線上器件帶來衝擊危害。
以上就是哪吒汽車發明的應用於車載逆變器的IGBT過壓保護電路方案，該方案將母線電壓與保護電路設計電壓進行了關聯。因此不需要改變現有硬體資源，只需調整軟體控制策略，從而可以減少故障以及增加系統可靠性。
