论文一种基于结温提取的高性能车载IGBT驱动器，该文是关于性能车方面论文写作参考范文跟驱动器和IGBT和提取相关论文写作参考范文.
近年来,全球新能源电动车市场呈现出爆发式的发展势头.相比较传统燃油车,新能源电动车具有零排放,动力强,无噪音等优点,这些都得益于新能源车的“发动机”-电驱.但是作为电力电子设备,电驱核心部件IGBT是半导体器件,在使用可靠性以及寿命都面临着极大的挑战.本文聚焦于IGBT结温提取与保护,尤其是电动车在低速过载工况下传统NTC温度采样保护的缺陷,重点介绍了基于带结温提取功能IGBT模块的专用驱动器设计,基于Firstack数字控制技术,可以实现25~105℃环温下,结温采样误差<&plun;1%,创业内领先水平.
作者：杭州飞仕得科技有限公司 洪磊
1. 摘 要
相比较传动燃油车的发动机,新能源电驱作为车载电力电子动力设备,涉及到人身安全,且面临车载震动,高温,EMC等复杂恶劣环境的诸多挑战,比传统电力电子设备,无论是对可靠性,还是设备使用的安全性,都有更高的要求.
从如下图电力电子设备失效统计分析【1】,我们可以看出,IGBT及其驱动器的失效率占整个电力电子设备的失效的50%以上.
所以,在新能源车动力系统“电驱”中IGBT及其驱动的可靠性显得尤为重要.
目前针对新能源车用IGBT模块,国际半导体巨头如英飞凌,富士,三菱电机,赛米控等都推出了针对车载的IGBT模块,相比较传统工业级模块,主要提高了IGBT在抗震性,功率循环周次以及模块可控性上的性能,以适应IGBT在车载环境的下的可靠性以及使用寿命.
其中富士电机推出的M653模块,采用温敏二极管原理检测芯片结温,可以实时将结温数据传递给客户,一举解决了传统NTC温度采样在低速过载工况下无法实时进行结温度保护的问题,大大提高IGBT模块使用的可靠性以及电驱的安全性.IGBT模块的结温提取功能给相应的驱动器设计带来新的挑战,如何保证采样精度,响应时间,以及EMC特性成为是否能发挥IGBT模块结温提取功能的关键因素.
Fi r s tack针对带结温提取的模块,如M653,开发的C-M653驱动核,可以实现精度<&plun;1%@25~105℃,响应时间<1ms,并具有良好的EMC特性.同时集成驱动隔离电源,应用电路极为简单,客户无需在调试驱动器上投入精力,即可安全可靠的驱动M653等IGBT模块.
2. IGBT模块结温提取的用途
2.1 低速过载工况下IGBT过温保护
文献【2】采用Infineon的IPOSIM在线版仿真工具,模拟实际应用中满载起步或低速爬坡负载的循环仿真结温变化情况.工况：fout等于5Hz,Iout等于150A稳态中出现60秒Iout等于250A过载,结果如下图所示：
仿真结论：结温波动曲线如图2,最高结温会到152°C,已经超过IGBT安全工作区.在低频时尤其是堵转工况下,NTC温度采样已经无法满足结温保护的需求,需要限制电机控制器的过载电流输出,峰值电流值需要相应降额.否则在应用中容易会出现结温超出安全工作区导致IGBT模块的损坏.
M653模块的结温提取功能,响应时间4ms左右,可以有效进行上述工况下的结温保护.
2.2 降额运行
电动车在实际运行过程中,通过监测到的IGBT的结温数据,结合实际运行工况,可以调节电驱的出力,以提高整个电驱系统的运行效率；同时在恶劣环境下（如高温环境）,降低电驱出力,保证整机运行的可靠性.
2.3 电机控制模型校正
电机控制性能算法往往需要知道电机的模型,实际电机在运行过程中,由于发热会导致相应的模型参数发生变化,此时提取IGBT模块的结温数据,可以估算电机的运行温度,并校正实际电机控制模型,进而大幅提升电机在各种环境以及工况下的电机驱动性能.3. 带结温提取的M653模块M653【3】是富士电机针对新能源乘用车开发的新一代汽车级IGBT模块,每一个芯片上集成了温敏二极管,如图3所示.温敏二极管在通1mA恒电流源的情况下,二极管两端的电压和温度呈线性关系.电压和温度的对应关系【3】如下图所示：从上表可以看出,4mV的电压变化即对应1℃温度的变化,这时需要高精度的驱动采样电路.同时温敏二极管放置在功率芯片中间,在IGBT实际工作中EMC环境较为恶劣,对温度采样电路的EMC特性也提出了较高要求.
4. 结温提取专用驱动核C-M653
针对采用温敏二极管原理测量IGBT结温的模块,如M653,Firstack开发的C-M653驱动核,如图5所示,驱动核具有以下核心优势：
-高精度,高带宽结温提取(误差<&plun;1%@25~105℃)
-&plun;1% 1mA 恒流源
-12kHz 载波频率
-兼容Emitter sense/Desat IGBT短路保护(<4us)
-集成2通道隔离驱动电源,EMC特性好
-简化驱动板设计,降低系统成本
-2 层适配板
-电路只需少量无源器件
-所有核心器件AEC-Q100 Grade 1认证
C-M653驱动核,温度采样原理示意图如下：
如图6采样电路示意图可以看出,C-M653驱动核产生高精度的恒流源,温敏二极管的输出电压通过和12kHz的三角载波进行比较,转化为占空比可变的频率信号,并通过隔离器件,将温度信息传输到原边.不同温度温度对应不同占空比,占空比范围10%~90%.通过监测占空比即可得到有效的结温数据,基于Firstack数字控制技术,结温数据采集误差可以做到<&plun;1%@25~105℃环温,为业内领先.
5. 测试验证
5.1 不同环温下采样精度测试
为了验证上述驱动核的结温采样电路的性能,进行相应的模拟测试实验：采用1/10000精度的电阻箱产生不同的电阻值模拟M653模块的温敏二极管的特性.并将相应的驱动核放置在高低温箱中,设置不同温度,稳定后对比采样电路在不同环温下的测试精度.相应的测试装置如图7所示,测试结果如图8所示.从上述测试数据中,可以得出,C-M653驱动核在25~105℃的环境温度下均具有极高的采样精度,误差<&plun;1%.
5.2 采样电路抗干扰测试
温敏二极管放置在功率芯片中间,在IGBT实际工作中EMC环境较为恶劣,为了检验C-M653驱动核尤其是结温采样电路的抗干扰,进行LANGER抗干扰性实验,测试仪器采用抗干扰开发系统E1,如图9所示,专门用来测试电路的抗干扰能力.E1包含SGZ 21电快速瞬变脉冲群信号发生器以及不同的电场或磁场的探头,使用方法如图10所示.
对结温采样电路采用上述设备施加不同的电磁场干扰,相应的测试波形如图11所示.
测试结果显示,C-M653驱动核具有较强的抗干扰能力,在复杂电磁场环境下,仍能有效传递结温数据.
5.3 无功功率循环测试
为了模拟实际电驱连续功率运行情况,搭建了三相无功功率循环系统,装置如图12所示,直流母线采用三相不控整流桥从电网取电,由富士M653模块构成的三相逆变单元输出接电抗器负载,通过Firstack多功能主控模拟系统,进行相应的无源逆变发波控制,并采用LX-3000水冷设备,测试条件为：
Vdc等于420V,fo等于50Hz,fc等于8kHz,Iout（Arms）等于320A；Tw等于65℃,flow rate 6L/min,LLC50%；
连续运行2h,驱动及结温采样均工作正常,相应的测试波形如图13所示.
6. 结论
车载IGBT的结温提取功能可以大大提高新能源车电驱的可靠性,尤其是在低速过载工况下.Firstack针对此类模块开发的驱动核产品C-M653,具有结温检测精度高,误差小于<&plun;1%,响应快,EMC特性好等特点,最大限度发挥此类模块的应用优势,同时大大简化客户IGBT驱动器设计,提高新能源电驱以及整车系统的可靠性,是客户应用的首选.
联络
洪磊 汽车电子产品线总监 lei.hong@firstack.com杭州飞仕得科技有限公司
参考文献：
[1]U. Choi, F. Blaabjerg, K.Lee, “Study and HandlingMethods of Power IGBT Module Failures in PowerElectronic Converter System”IEEE Trans. PowerElectron., vol. 30, no.5, pp.2517-2533, May. 2015.
[2]孙辉波,杨勇,“电动车低速过载工况下IGBT动态温升分析”,第十七届中国电动车辆学术年会,2013,7.
[3]Fuji Technical documentation：6MBI800XV-075V-01.pdf
上文评论：上文是一篇关于对不知道怎么写驱动器和IGBT和提取论文范文课题研究的大学硕士、性能车本科毕业论文性能车论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料.
参考文献：
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