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車領(lǐng)域，逆變器驅(qū)動技術(shù)已成為汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。從空調(diào)機、加熱系統(tǒng)等低功率應(yīng)用，到驅(qū)動和再生制動系統(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較低的直流電池電壓轉(zhuǎn)換為交流高電壓，為電動機控制電源，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，如何保護汽車逆變器設(shè)計中的功率晶體管，成為延長系統(tǒng)工作壽命、確保汽車穩(wěn)定運行的重要課題。

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，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，往往不得不犧牲一定的強固性。這使得功率晶體管在面對復(fù)雜的汽車工作環(huán)境時，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)動電壓等，都可能造成逆變器中一個或多個 IGBT 短路或類似短路的過載情況。當(dāng) IGBT 出現(xiàn)短路時，電流會急劇增加，而降低 IGBT 傳導(dǎo)損耗的設(shè)計又常常會導(dǎo)致短路電流進一步增大，從而縮減短路的存活時間，對 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，IGBT 會迅速發(fā)熱。如果散熱系統(tǒng)設(shè)計不合理，無法及時將熱量散發(fā)出去，IGBT 的溫度就會持續(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，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)中包含一個寄生晶閘管，當(dāng)集電極電流超過閾值，尤其是在動態(tài)關(guān)斷過程中電流下降過快時，會造成正向偏置，導(dǎo)致 NPN 和 PNP 晶體管飽和，寄生晶閘管導(dǎo)通，形成靜態(tài)或動態(tài)鎖定效應(yīng)，進一步增加功耗，引發(fā)器件失效。

為了有效保護汽車逆變器設(shè)計中的功率晶體管，需要從多個方面采取措施。在過流保護方面，快速并且可靠的 IGBT 短路檢測至關(guān)重要?？梢圆捎枚喾N方法來檢測負載電流大小，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 負載電流的電壓信號，當(dāng)信號超過設(shè)定的閾值大小時就會觸發(fā)保護機制。然而，由于 IGBT 的最大可容忍電流會因采用的工藝、工作溫度以及門電壓等因素而有所不同，在設(shè)定負載電流觸發(fā)閾值時需要非常謹慎，以確保在有效保護的同時，不會過度限制 IGBT 的工作范圍。

另一種有效的過流檢測方法是通過監(jiān)視集電極到發(fā)射極的電壓(VCE)來檢測 IGBT 脫離飽和狀態(tài)的時間。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)動情況時，IGBT 會進入線性模式，VCE 上升，導(dǎo)致功率損耗過大，最終引發(fā)器件失效。通過檢測這個去飽和(DESAT)情況，可以實現(xiàn)與監(jiān)視輸出電流相同的錯誤檢測效果，并且能夠更真實地反映 IGBT 的工作情況，有效降低許多外在因素的干擾，從而實現(xiàn) IGBT 更高功率的安全使用。

當(dāng)檢測到過流錯誤情況時，逆變器的錯誤分辨能力和關(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，不僅會損壞 IGBT，還可能破壞過電流保護機制。為了解決這個問題，可以通過實現(xiàn) IGBT 的軟關(guān)斷來減輕，即利用延長錯誤發(fā)生時的門極放電時間，降低電壓的變化速度，從而保護 IGBT 免受過高電壓的沖擊。

在熱管理方面，優(yōu)化散熱設(shè)計是關(guān)鍵。合理設(shè)計散熱器的尺寸、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)，進一步提高散熱效率。同時，在設(shè)計過程中，要充分考慮到汽車運行時的各種工況，確保散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作。

電氣保護方面，采取一系列措施來應(yīng)對瞬態(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，TVS 二極管能夠為電流提供低阻抗路徑，從而保護功率晶體管免受過高電壓的損害。在選擇 TVS 二極管時，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，吸收電動汽車電感負載產(chǎn)生的能量，確保電路的穩(wěn)定性。

在實際應(yīng)用中，高度集成的解決方案為保護功率晶體管提供了便利。例如，Avago 的 ACPL - 38JT 門驅(qū)動光電耦合器通過集成去飽合檢測和欠壓鎖定(UVLO, Under Voltage LockOut)電路，以及隔離的錯誤信號和軟關(guān)斷等多個功能到 IGBT 門驅(qū)動器中，滿足了汽車系統(tǒng)對低成本、小尺寸以及強固性的要求。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)計的 LED 確保高溫條件下的更長工作壽命。內(nèi)置的保護電路不僅可以節(jié)省數(shù)個分立器件，降低成本，還能通過解決所有錯誤情況，包括可能破壞功率開關(guān)晶體管的低門驅(qū)動電壓，提高系統(tǒng)的可靠性。

隨著汽車設(shè)計中高功率電氣系統(tǒng)的重要性日益凸顯，對逆變器設(shè)計中功率晶體管的保護已成為確保系統(tǒng)長時間工作壽命的必備條件。通過采用同時具備檢測和響應(yīng)機制的集成方案，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措施，將為電動汽車和油電混合汽車的性能提升和安全運行提供堅實保障。