2.4　電動汽車直流電機控制

2.4.1　直流電機的控制系統(tǒng)

在電源電路上，直流電機可以采用較少的控制元件，一般用斬波器來控制。最常采用的有絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）電子功率開關(guān)的斬波器，IGBT斬波器是在直流電源與直流電機之間的一個周期性的通斷開關(guān)裝置。斬波器根據(jù)直流電機輸出轉(zhuǎn)矩的需要，脈沖輸出和變換直流電機所需電壓從0到最高，與直流電機輸出的功率相匹配，來驅(qū)動和控制直流電機運轉(zhuǎn)。IGBT斬波器已經(jīng)商品化，可供用戶選用。

直流斬波控制方式由于體積小、重量輕、效率高、可控制性好，而且根據(jù)所選的加速度，能平穩(wěn)加速到理想的速度，所以該控制方式在電力驅(qū)動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如圖2-16所示為用于直流電機速度控制的一象限直流斬波控制。四象限運行是指用二軸表示電機轉(zhuǎn)速，y軸表示電流，第一象限就是電動狀態(tài)。四象限是指正向電動、正向發(fā)電、反向電動、反向發(fā)電。

一象限直流斬波控制的工作原理是電流經(jīng)蓄電池正極輸出，經(jīng)IGBT的集電極C和發(fā)射極E，再經(jīng)電刷進入電機M的轉(zhuǎn)子，電機的定子S可以是線圈，也可能是永磁體。駕駛?cè)颂は录铀偬ぐ鍟r，實際上就是電路在控制IGBT的門極G的PWM波占空比加大，汽車減速時，若定子S為永磁體，則電機轉(zhuǎn)為發(fā)電機發(fā)電，但發(fā)出的電流無法經(jīng)IGBT將電流充入蓄電池。要想在第二象限工作，則可在IGBT的G和E間反加一個大功率二極管，這時電機再生制動的能量就可以返回蓄電池了。

2.4.2　IGBT的結(jié)構(gòu)原理與檢測

（1）IGBT的結(jié)構(gòu)　IGBT是MOSFET（場效應(yīng)晶體管）與GTR（功率晶體管）的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十赫茲的頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

如圖2-17所示，GTR由N⁺、P、N^-、N⁺四層半導(dǎo)體組成，無SiO₂絕緣層；MOSFET由N⁺、P、N^-、N⁺四層半導(dǎo)體組成，但有SiO₂絕緣層；IGBT由N⁺、P、N^-、N⁺、P⁺五層半導(dǎo)體組成，有SiO₂絕緣層。圖中黑色箭頭代表正電子；白色箭頭代表負(fù)電子。僅有電子流動的為單極性管，有正負(fù)電子流動的為雙極性管。

（2）IGBT的工作原理　GTR是指集電極C、基極B、發(fā)射極E三個電極，當(dāng)B、E間通過一個小電流時，則在C、E間有大電流流過，是電流放大電流的器件。MOSFET是指漏極D、柵極G、源極S三個極，當(dāng)G、S間施加一個電壓時，則在G、S間有大電流流過，是電壓放大電流的器件。IGBT是指集電極C、極柵G、發(fā)射極E三個極，當(dāng)G、E間施加一個電壓時，則在C、E間有大電流流過，是電壓放大電流的器件。

IGBT是通過柵極驅(qū)動電壓來控制的開關(guān)晶體管，工作原理與MOSFET相似，區(qū)別在于IGBT是通過電導(dǎo)調(diào)制來降低通態(tài)損耗。GTR電力晶體管飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流也較大。MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。如圖2-18所示為IGBT功率模塊。

（3）IGBT使用注意事項　由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般僅能承受到20～30V，所以因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此，使用中要注意以下幾點。

①在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后再觸摸；在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊，在良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

②在柵極發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

③在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時（柵極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞。為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一個10kΩ左右的電阻。

④在安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂，安裝時應(yīng)受力均勻，避免用力過度而損壞。

⑤一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞，散熱片散熱不良時，將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，從而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時報警或停止IGBT模塊工作。

（4）IGBT管極性測量　判斷極性，首先將萬用表撥在R×1k擋，用萬用表測量時，若某一極與其他兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其他兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極G。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小，則在測量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極C，黑表筆接的為發(fā)射極E。

（5）檢測判斷IGBT的好壞　IGBT的好壞可用指針式萬用表的R×1k擋來檢測，或用數(shù)字式萬用表的“二極管”擋來測量PN結(jié)正向壓降進行判斷。檢測前先將IGBT的三個引腳短路放電，避免影響檢測的準(zhǔn)確度；然后用指針式萬用表的兩支表筆正反測G、E兩極及G、C兩極的電阻。正常G、C兩極與G、E兩極間的正反向電阻均為無窮大；內(nèi)含阻尼二極管的IGBT正常時，E、C極間均有4kΩ的正向電阻。

最后用指針式萬用表的紅筆接C極，黑筆接E極，若所測值在3.5kΩ左右，則所測管為含阻尼二極管的IGBT；若所測值在50kΩ左右，則所測IGBT內(nèi)不含阻尼二極管。對于數(shù)字式萬用表，正常情況下，IGBT的C、E極間正向壓降約為0.5V。

綜上所述，內(nèi)含阻尼二極管的IGBT檢測，除紅黑表筆連接C、E阻值較大，反接阻值較小外，其他連接檢測的讀數(shù)均為無窮大。測得IGBT的三個引腳間電阻均很小，則說明該管已擊穿損壞，維修中IGBT多為擊穿損壞。若測得IGBT的三個引腳間電阻均為無窮大，說明該管已開路損壞。