【嘉勤点评】哪吒汽车发明的应用于车载逆变器的IGBT过压保护电路方案，将母线电压与保护电路设计电压进行了关联。因此不需要改变现有硬件资源，只需调整软件控制策略，从而可以减少故障以及增加系统可靠性。
集微网消息，电力驱动系统能够将电能转换为机械能，从而驱动电动汽车行驶，是控制电动汽车最关键的部分。IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块，其将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。
IGBT约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40％，折合到整车上约占总成本的7～10％，其性能直接决定了整车的能源利用率。
由于在直流电转交流电的换流回路中存在杂散电感，因此在IGBT关断时会引起电压尖峰，有引起IGBT过压损坏的风险，这将严重影响新能源汽车的可靠性，现有的解决办法通常是引入有源钳位电路保护IGBT过压。
如上图，为设置了有源钳位电路的换流回路构成图，该有源钳位电路包含连接在栅极和集电极之间的TVS二极管及串联的二极管VD。但是这种换流回路存在较为严重的缺陷：首先，上电过程可能存在异常过压脉冲工况，导致高压TVS二极管损坏，由于较大能量使得TVS二极管失效短路；其次，异常过压脉冲使TVS二极管击穿短路后，硬件过压故障，MCU进入下桥臂，而二极管上电压过高触发上桥臂有源钳位电路使能，最终导致IGBT长时间上下桥臂直通造成短路，从而损坏整个IGBT模块。
为解决上述问题，哪吒汽车在2022年4月7日申请了一项名为“一种IGBT过压保护电路及其控制方法”的发明专利（申请号：202210361826.5），申请人为合众新能源汽车有限公司。
根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。
如上图，为车载逆变器控制电路的结构示意图，该逆变器包括受IGBT控制的6个开关器件。该方案中的控制方法针对有源钳位电路保护IGBT的硬件电路，有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高或者太陡，都会使IGBT受到威胁。
IGBT在正常情况关断时会产生一定电压尖峰，但是数值不会太高。但在变流器过载或者桥臂短路时，如果要关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。
有源钳位电路的本质在于驱动器使IGBT的关断过程延长，目的是将杂散电感的能量耗散在IGBT上，也就是说“让IGBT在线性区里多待一会”。传统的有源钳位电路对母线电压有非常严格的规定，母线电压的数值一定要低于有源钳位电路的门槛值，这里所指的母线电压不是指的电压尖峰，而是母线电容上的电压。
但是在电动汽车、风电、APF等应用中，常常会遇到母线电压太高的情况。例如，电动汽车应用中，电池端直流接触器断开，且汽车制动时母线电压会太高。在这种情况下，一旦母线电压超过有源钳位的门槛，IGBT就会进入线性区，IGBT上的损耗很大，短时间内就会失效。为此，该方案针对母线电压的情况，分别采用两种不同的方式进行控制。
如上图，为该方案中发明的应用在上述结构中的方案流程图，首先，在电机上电时，会由于脉冲而产生母线电压。通过判断母线电压是否过高可以进行如下两个操作：当其不处于正常范围时，车载逆变器控制电路进入FW模式，IGBT关断电路中6个开关器件的上下桥，并做出报警提示。
在该步骤中，FW即Freewheel（逆变器关断）状态，即与电机UVW三项形成断路，是将逆变器的6个开关器件全部关断，这又称为开路保护模式。此种情况下，IGBT绝对不会导通，故处于较安全的状态。以电驱系统搭载三相IGBT功率模块为例，通过开通IGBT上桥臂和下桥臂所有的管，逆变器进入被动整流的状态，即为开路保护。
当电机运行在高转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势高于母线电压，经过续流二极管向高压电池整流回馈，形成闭合回路。此时，电机端产生较大制动转矩，同时这种不可控的被动整流使得电机反电动势对挂在直流母线上的器件，例如：母线电容、IGBT等，产生较大冲击危害。
当电机运行在低转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势低于母线电压，无法经过续流二极管向高压电池整流回馈，也就无法形成闭合回路。此时电机端空载运行，电机反电动势对挂在直流母线上的器件不会产生冲击危害。
而倘若母线电压处于正常范围时，则车载逆变器控制电路进入ASC（主动短路保护）模式。此状态下通过有源钳位电路控制IGBT将逆变器中的6个开关器件的三桥或下三桥全开，与电机UVW三项形成短路，电机处于安全状态。
最后，是上述两种不同的工作模式的示意图。可以看到，当母线电压足够大时，则进入FW开路保护工作状态；当母线电压不够大，存在反电势反超母线电压现象时，则在低速区进入FW开路保护工作状态，高速区进入主动短路保护工作状态ASC。
因此，在低速区采用FW工作状态，可以避免ASC工作状态下产生大的制动力给车辆运行造成大冲击以及影响驾驶舒适性。在高速区时可以采用ASC工作状态，以避免FW工作状态产生大的反电动势给母线上器件带来冲击危害。
以上就是哪吒汽车发明的应用于车载逆变器的IGBT过压保护电路方案，该方案将母线电压与保护电路设计电压进行了关联。因此不需要改变现有硬件资源，只需调整软件控制策略，从而可以减少故障以及增加系统可靠性。
