2.4　电动汽车直流电机控制

2.4.1　直流电机的控制系统

在电源电路上，直流电机可以采用较少的控制元件，一般用斩波器来控制。最常采用的有绝缘栅极双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）电子功率开关的斩波器，IGBT斩波器是在直流电源与直流电机之间的一个周期性的通断开关装置。斩波器根据直流电机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电机所需电压从0到最高，与直流电机输出的功率相匹配，来驱动和控制直流电机运转。IGBT斩波器已经商品化，可供用户选用。

直流斩波控制方式由于体积小、重量轻、效率高、可控制性好，而且根据所选的加速度，能平稳加速到理想的速度，所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。如图2-16所示为用于直流电机速度控制的一象限直流斩波控制。四象限运行是指用二轴表示电机转速，y轴表示电流，第一象限就是电动状态。四象限是指正向电动、正向发电、反向电动、反向发电。

一象限直流斩波控制的工作原理是电流经蓄电池正极输出，经IGBT的集电极C和发射极E，再经电刷进入电机M的转子，电机的定子S可以是线圈，也可能是永磁体。驾驶人踏下加速踏板时，实际上就是电路在控制IGBT的门极G的PWM波占空比加大，汽车减速时，若定子S为永磁体，则电机转为发电机发电，但发出的电流无法经IGBT将电流充入蓄电池。要想在第二象限工作，则可在IGBT的G和E间反加一个大功率二极管，这时电机再生制动的能量就可以返回蓄电池了。

2.4.2　IGBT的结构原理与检测

（1）IGBT的结构　IGBT是MOSFET（场效应晶体管）与GTR（功率晶体管）的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十赫兹的频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

如图2-17所示，GTR由N⁺、P、N^-、N⁺四层半导体组成，无SiO₂绝缘层；MOSFET由N⁺、P、N^-、N⁺四层半导体组成，但有SiO₂绝缘层；IGBT由N⁺、P、N^-、N⁺、P⁺五层半导体组成，有SiO₂绝缘层。图中黑色箭头代表正电子；白色箭头代表负电子。仅有电子流动的为单极性管，有正负电子流动的为双极性管。

（2）IGBT的工作原理　GTR是指集电极C、基极B、发射极E三个电极，当B、E间通过一个小电流时，则在C、E间有大电流流过，是电流放大电流的器件。MOSFET是指漏极D、栅极G、源极S三个极，当G、S间施加一个电压时，则在G、S间有大电流流过，是电压放大电流的器件。IGBT是指集电极C、极栅G、发射极E三个极，当G、E间施加一个电压时，则在C、E间有大电流流过，是电压放大电流的器件。

IGBT是通过栅极驱动电压来控制的开关晶体管，工作原理与MOSFET相似，区别在于IGBT是通过电导调制来降低通态损耗。GTR电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流也较大。MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。如图2-18所示为IGBT功率模块。

（3）IGBT使用注意事项　由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般仅能承受到20～30V，所以因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此，使用中要注意以下几点。

①在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后再触摸；在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块，在良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

②在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。

③在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏。为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一个10kΩ左右的电阻。

④在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂，安装时应受力均匀，避免用力过度而损坏。

⑤一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏，散热片散热不良时，将导致IGBT模块发热，从而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时报警或停止IGBT模块工作。

（4）IGBT管极性测量　判断极性，首先将万用表拨在R×1k挡，用万用表测量时，若某一极与其他两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极G。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小，则在测量阻值较小的一次中，红表笔接的为集电极C，黑表笔接的为发射极E。

（5）检测判断IGBT的好坏　IGBT的好坏可用指针式万用表的R×1k挡来检测，或用数字式万用表的“二极管”挡来测量PN结正向压降进行判断。检测前先将IGBT的三个引脚短路放电，避免影响检测的准确度；然后用指针式万用表的两支表笔正反测G、E两极及G、C两极的电阻。正常G、C两极与G、E两极间的正反向电阻均为无穷大；内含阻尼二极管的IGBT正常时，E、C极间均有4kΩ的正向电阻。

最后用指针式万用表的红笔接C极，黑笔接E极，若所测值在3.5kΩ左右，则所测管为含阻尼二极管的IGBT；若所测值在50kΩ左右，则所测IGBT内不含阻尼二极管。对于数字式万用表，正常情况下，IGBT的C、E极间正向压降约为0.5V。

综上所述，内含阻尼二极管的IGBT检测，除红黑表笔连接C、E阻值较大，反接阻值较小外，其他连接检测的读数均为无穷大。测得IGBT的三个引脚间电阻均很小，则说明该管已击穿损坏，维修中IGBT多为击穿损坏。若测得IGBT的三个引脚间电阻均为无穷大，说明该管已开路损坏。