在汽車技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，尤其是油電混合車和電動(dòng)車領(lǐng)域，逆變器驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。從空調(diào)機(jī)、加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，到驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)等高功率應(yīng)用，逆變器都發(fā)揮著不可或缺的作用。其核心功能是將相對(duì)較低的直流電池電壓轉(zhuǎn)換為交流高電壓，為電動(dòng)機(jī)控制電源，而在這一過程中，功率晶體管扮演著調(diào)節(jié)能量遞送的關(guān)鍵角色。因此，如何保護(hù)汽車逆變器設(shè)計(jì)中的功率晶體管，成為延長(zhǎng)系統(tǒng)工作壽命、確保汽車穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題。

目前，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在汽車逆變器中占據(jù)主導(dǎo)地位。IGBT 結(jié)合了 MOSFET 的高輸入阻抗和雙極晶體管的低導(dǎo)通壓降等優(yōu)點(diǎn)，能夠高效地處理高電壓和高功率。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，為了降低 IGBT 中的功率損耗，新一代產(chǎn)品在追求更低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗時(shí)，往往不得不犧牲一定的強(qiáng)固性。這使得功率晶體管在面對(duì)復(fù)雜的汽車工作環(huán)境時(shí)，更容易受到損壞。

汽車逆變器中功率晶體管損壞的原因是多方面的。其中，過流情況是導(dǎo)致功率晶體管損壞的常見因素之一。許多逆變器的內(nèi)部或外部錯(cuò)誤，如相位到相位輸出短路、逆變器橋接腳的過沖以及 IGBT 低驅(qū)動(dòng)電壓等，都可能造成逆變器中一個(gè)或多個(gè) IGBT 短路或類似短路的過載情況。當(dāng) IGBT 出現(xiàn)短路時(shí)，電流會(huì)急劇增加，而降低 IGBT 傳導(dǎo)損耗的設(shè)計(jì)又常常會(huì)導(dǎo)致短路電流進(jìn)一步增大，從而縮減短路的存活時(shí)間，對(duì) IGBT 造成不可逆的損壞。

過熱也是威脅功率晶體管壽命的重要因素。當(dāng)集電極電流過大時(shí)，IGBT 會(huì)迅速發(fā)熱。如果散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，無法及時(shí)將熱量散發(fā)出去，IGBT 的溫度就會(huì)持續(xù)升高。一旦超過其最高工作溫度(通常設(shè)定在 130℃以下)，特別是超過硅本征溫度(約 250℃)時(shí)，IGBT 的阻斷能力將喪失，柵極控制失效，最終導(dǎo)致器件損壞。此外，IGBT 的 PNPN 四層結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)寄生晶閘管，當(dāng)集電極電流超過閾值，尤其是在動(dòng)態(tài)關(guān)斷過程中電流下降過快時(shí)，會(huì)造成正向偏置，導(dǎo)致 NPN 和 PNP 晶體管飽和，寄生晶閘管導(dǎo)通，形成靜態(tài)或動(dòng)態(tài)鎖定效應(yīng)，進(jìn)一步增加功耗，引發(fā)器件失效。

為了有效保護(hù)汽車逆變器設(shè)計(jì)中的功率晶體管，需要從多個(gè)方面采取措施。在過流保護(hù)方面，快速并且可靠的 IGBT 短路檢測(cè)至關(guān)重要?？梢圆捎枚喾N方法來檢測(cè)負(fù)載電流大小，如使用分流電阻或射極分離的 IGBT，它們能夠產(chǎn)生正比于 IGBT 負(fù)載電流的電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)超過設(shè)定的閾值大小時(shí)就會(huì)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。然而，由于 IGBT 的最大可容忍電流會(huì)因采用的工藝、工作溫度以及門電壓等因素而有所不同，在設(shè)定負(fù)載電流觸發(fā)閾值時(shí)需要非常謹(jǐn)慎，以確保在有效保護(hù)的同時(shí)，不會(huì)過度限制 IGBT 的工作范圍。

另一種有效的過流檢測(cè)方法是通過監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來檢測(cè) IGBT 脫離飽和狀態(tài)的時(shí)間。在正常工作情況下，IGBT 處于飽和模式，VCE 較低。當(dāng)發(fā)生輸出短路或低門極驅(qū)動(dòng)情況時(shí)，IGBT 會(huì)進(jìn)入線性模式，VCE 上升，導(dǎo)致功率損耗過大，最終引發(fā)器件失效。通過檢測(cè)這個(gè)去飽和(DESAT)情況，可以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)視輸出電流相同的錯(cuò)誤檢測(cè)效果，并且能夠更真實(shí)地反映 IGBT 的工作情況，有效降低許多外在因素的干擾，從而實(shí)現(xiàn) IGBT 更高功率的安全使用。

當(dāng)檢測(cè)到過流錯(cuò)誤情況時(shí)，逆變器的錯(cuò)誤分辨能力和關(guān)斷策略也至關(guān)重要。如果 IGBT 關(guān)斷過于快速，快速的電流變化(di/dt)以及無可避免的連接寄生電感就有可能造成回流 EMF 超過 IGBT 的最高電壓容忍大小，不僅會(huì)損壞 IGBT，還可能破壞過電流保護(hù)機(jī)制。為了解決這個(gè)問題，可以通過實(shí)現(xiàn) IGBT 的軟關(guān)斷來減輕，即利用延長(zhǎng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的門極放電時(shí)間，降低電壓的變化速度，從而保護(hù) IGBT 免受過高電壓的沖擊。

在熱管理方面，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。合理設(shè)計(jì)散熱器的尺寸、形狀和材質(zhì)，確保其具有足夠低的熱阻(θja)，以有效地將 IGBT 產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，維持結(jié)溫(TJ)在安全水平內(nèi)。此外，還可以考慮采用更大的風(fēng)扇和高效的通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高散熱效率。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮到汽車運(yùn)行時(shí)的各種工況，確保散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作。

電氣保護(hù)方面，采取一系列措施來應(yīng)對(duì)瞬態(tài)過電壓等問題。例如，使用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，當(dāng)瞬態(tài)電流超過額定閾值時(shí)，TVS 二極管能夠?yàn)殡娏魈峁┑妥杩孤窂?，從而保護(hù)功率晶體管免受過高電壓的損害。在選擇 TVS 二極管時(shí)，需要綜合考慮二極管在瞬態(tài)事件期間能夠處理的峰值脈沖電流以及二極管吸收和散發(fā)能量的能力。此外，還可以采用 RC 吸收電路，通過串聯(lián)電阻和電容器來抑制電壓尖峰，吸收電動(dòng)汽車電感負(fù)載產(chǎn)生的能量，確保電路的穩(wěn)定性。

在實(shí)際應(yīng)用中，高度集成的解決方案為保護(hù)功率晶體管提供了便利。例如，Avago 的 ACPL - 38JT 門驅(qū)動(dòng)光電耦合器通過集成去飽合檢測(cè)和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路，以及隔離的錯(cuò)誤信號(hào)和軟關(guān)斷等多個(gè)功能到 IGBT 門驅(qū)動(dòng)器中，滿足了汽車系統(tǒng)對(duì)低成本、小尺寸以及強(qiáng)固性的要求。其光隔離功能包括環(huán)繞光接收器的透明法拉第屏蔽，可協(xié)助降低電磁噪聲耦合，并使用特別設(shè)計(jì)的 LED 確保高溫條件下的更長(zhǎng)工作壽命。內(nèi)置的保護(hù)電路不僅可以節(jié)省數(shù)個(gè)分立器件，降低成本，還能通過解決所有錯(cuò)誤情況，包括可能破壞功率開關(guān)晶體管的低門驅(qū)動(dòng)電壓，提高系統(tǒng)的可靠性。

隨著汽車設(shè)計(jì)中高功率電氣系統(tǒng)的重要性日益凸顯，對(duì)逆變器設(shè)計(jì)中功率晶體管的保護(hù)已成為確保系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作壽命的必備條件。通過采用同時(shí)具備檢測(cè)和響應(yīng)機(jī)制的集成方案，能夠以緊湊、低成本且高可靠性的方式滿足這一需求。在未來的汽車技術(shù)發(fā)展中，不斷優(yōu)化和完善功率晶體管的保護(hù)措施，將為電動(dòng)汽車和油電混合汽車的性能提升和安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。