電動(dòng)汽車逆變器用IGBT驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)研究

電動(dòng)汽車逆變器用于控制汽車主電機(jī)為汽車運(yùn)行提供動(dòng)力，IGBT功率模塊是電動(dòng)汽車逆變器的核心功率器件，其驅(qū)動(dòng)電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與工業(yè)通用變頻器、風(fēng)能太陽(yáng)能逆變器的驅(qū)動(dòng)電路有更為苛刻的技術(shù)要求，其中的電源電路受到空間尺寸小、工作溫度高等限制，面臨諸多挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)供電電源，并通過實(shí)際測(cè)試證明其可用性。

常見的驅(qū)動(dòng)電源采用反激電路和單原邊多副邊的變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于反激電源在開關(guān)關(guān)斷期間才向負(fù)載提供能量輸出的固有特性，使得其電流輸出特性和瞬態(tài)控制特性相對(duì)來說都比較差。在100kW量級(jí)的IGBT模塊空間布局中，單個(gè)變壓器集中生產(chǎn)4到6個(gè)互相隔離的正負(fù)電源的設(shè)計(jì)存在諸多不弊端：電源過于集中，爬電距離和電氣間隙難以保證，板上電源供電距離過長(zhǎng)等等。本設(shè)計(jì)采用常見的非專用芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，前級(jí)SEPIC電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，后級(jí)半橋電路實(shí)現(xiàn)隔離有效解決了上述問題。該電路成功應(yīng)用于國(guó)際領(lǐng)先的新能源汽車逆變器設(shè)計(jì)中。應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)具有較好的靈活性、高可靠性和瞬態(tài)響應(yīng)能力。

1 電動(dòng)汽車逆變器驅(qū)動(dòng)電源的要求分析 

電動(dòng)汽車逆變器驅(qū)動(dòng)電源一般為6個(gè)互相隔離的+15V/-5V電源。該電源的功率、電氣隔離能力、峰值電流能力、工作溫度等等都有嚴(yán)格的要求。以英飛凌的汽車級(jí)IGBT模塊FS800R07A2E3_B31為目標(biāo)進(jìn)行電源指標(biāo)的具體計(jì)算，該模塊支持高達(dá)150kW的逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.1 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算 

該驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率計(jì)算公式為：

P=f_sw×Q_g×△V_g /η (1)

其中f_sw開關(guān)頻率取10kHz，Q_g根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)取8.6nC，△V_g為門極驅(qū)動(dòng)電壓取23V。考慮到功率較小，效率取85%。此外注意到數(shù)據(jù)手冊(cè)中的8.6nC是按照電壓+/-15V計(jì)算，需考慮折算，最后計(jì)算結(jié)果為1.8W。考慮設(shè)計(jì)裕量1.1倍，記為2W。
1.2 驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算 

平均驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算公式為：

I_av=f_sw×Q_g （2）

可以計(jì)算得到平均電流為86mA。

峰值電流計(jì)算公式為：

I_peak=△V_g /(R_gext+R_gint) (3)

R_gext為外部門極電阻，按數(shù)據(jù)手冊(cè)取開通1.8歐關(guān)斷0.75歐。R_gint為內(nèi)部門極電阻，按數(shù)據(jù)手冊(cè)取0.5歐，得到開通峰值電流10A，關(guān)斷峰值電流18.4A。實(shí)際使用中，開通電阻和關(guān)斷電阻需要進(jìn)行開關(guān)速度與短路保護(hù)能力等性能的折衷，良好的設(shè)計(jì)值在2.2~5.1歐范圍，因此實(shí)際開關(guān)峰值電流在4~10A范圍。

2 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì) 

2.1 電源拓?fù)湓O(shè)計(jì) 

該電源的輸入是新能源乘用車常規(guī)的12V電源，該電源通常波動(dòng)范圍是8~16V，而驅(qū)動(dòng)電源的輸出需要相對(duì)穩(wěn)定。需要設(shè)計(jì)多組寬壓輸入、定壓輸出的隔離電源。本設(shè)計(jì)把電源分成兩級(jí)：前級(jí)電源實(shí)現(xiàn)寬壓輸入、定壓輸出功能，后級(jí)實(shí)現(xiàn)隔離功能，結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1：電源拓?fù)涫疽鈭D

該結(jié)構(gòu)的好處是：

一、前級(jí)電源無需解決隔離問題，可以采用常規(guī)的SEPIC或buck-boost非隔離拓?fù)洌仪凹?jí)電源的輸出是無需隔離的低壓定壓，在布局布線中無需考慮各組電源間的爬電距離和電氣間隙問題。因此該部分前級(jí)可以作為低壓弱電電路獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，無需占用驅(qū)動(dòng)板面積。

二、后級(jí)電源無需解決反饋問題，采用開環(huán)控制，避免了隔離信號(hào)反饋的麻煩。因?yàn)槌擞密囋O(shè)備的工況惡劣，工作溫度變化范圍非常大，傳統(tǒng)的線性光耦等器件受溫漂影響精度大幅降低，溫漂補(bǔ)償器件又成本很高，這種方式有效避免這一弊端。
2.2 后級(jí)半橋開關(guān)電源

前級(jí)電源屬于典型定壓設(shè)計(jì)，無需給出設(shè)計(jì)原理，本文重點(diǎn)介紹后級(jí)半橋電路。具體原理圖見圖2和圖3。圖2為采用汽車級(jí)定時(shí)器電路設(shè)計(jì)的50%占空比信號(hào)發(fā)生器，用于給半橋開關(guān)電源提供控制信號(hào)，其中R49可以用來調(diào)整開關(guān)頻率，一般可以設(shè)定在70kHz到300kHz之間，頻率選擇主要根據(jù)電路板實(shí)際空間尺寸和變壓器的伏秒積進(jìn)行折衷選取。

從變壓器計(jì)算伏秒積的公式為：

ET=V*D/f_sw (4)

V為加在變壓器上的電壓，D是占空比，f_sw是開關(guān)頻率。本設(shè)計(jì)選擇了一顆ET值達(dá)44Vusec的變壓器，因此開關(guān)頻率設(shè)置較低，為120kHz。

圖2: 50%占空比信號(hào)發(fā)生電路

圖3為半橋開關(guān)電源電路。此電路采用一顆IR的汽車級(jí)半橋芯片IRS2004S作為驅(qū)動(dòng)，并聯(lián)兩個(gè)由Infineon BSR302N組成的并聯(lián)半橋電路。采用匝比為1:1.25的通用變壓器，經(jīng)過倍壓整流得到+15V電壓，經(jīng)過普通整流得到-8V電壓。每個(gè)變壓器用于給一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)供電。在變壓器原邊串聯(lián)入汽車級(jí)EMC磁珠，可以有效抑制開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰，器件具體信息見附錄表1。IGBT門極是一種容性負(fù)載，每次開關(guān)都伴隨著較高瞬態(tài)電流，即前文計(jì)算的峰值驅(qū)動(dòng)電流，因此需要一種紋波電流能力強(qiáng)的長(zhǎng)壽命電容，每路電源采用4.7uF X7R汽車級(jí)多層陶瓷電容，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)電壓支撐。X7R多層陶瓷電容具有封裝小，ESR低，允許紋波電流大，溫度降低容量衰減少等優(yōu)點(diǎn)。

圖3：半橋開關(guān)電源電路原理圖


3 測(cè)試結(jié)果 

實(shí)際測(cè)試條件為，后級(jí)輸入定電壓16.5V，輸入電流0.67A，IGBT開關(guān)頻率10kHz，信號(hào)為SVPWM，開關(guān)電源工作頻率120kHz，室溫條件。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，每路功耗1.84W，與理論計(jì)算相符合。

選取高占空比和低占空比兩個(gè)工況，觀察相關(guān)信號(hào)的波形，見圖4和圖5。其中橙色的1通道顯示低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，粉色2通道顯示-8V電源輸出端的波形，藍(lán)色3通道顯示+15V電源輸出端波形，綠色4通道顯示門極輸出波形。

在IGBT開通時(shí)刻，由于電源電容電荷迅速通過門極電阻轉(zhuǎn)移到門極，時(shí)間一般只有1~3us，產(chǎn)生+15V電源上的電壓跌落，但是很快就可以恢復(fù)到平臺(tái)電壓。同理，在IGBT關(guān)斷時(shí)刻，也會(huì)使-8V電源產(chǎn)生電壓跌落。這種跌落是不會(huì)引起IGBT開通或關(guān)斷的不良反應(yīng)，因此是可以接受的。對(duì)比圖4和圖5也能夠發(fā)現(xiàn)，占空比大小不會(huì)影響電壓跌落的幅值和持續(xù)的時(shí)間，這是因?yàn)镮GBT的門極是容性負(fù)載。

圖4和圖5中還能看到，在IGBT關(guān)斷時(shí)刻使開通電壓波形產(chǎn)生了一個(gè)的尖峰，由于此時(shí)開通電壓電源處于瞬時(shí)空載狀態(tài)，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)生影響。整體上看，原邊的低壓弱電信號(hào)和副邊的低壓強(qiáng)電信號(hào)都沒有受到開關(guān)電源自身開關(guān)頻率上的干擾。

圖4：高占空比波形圖

圖5：低占空比波形圖

設(shè)計(jì)驗(yàn)證表明，前級(jí)SEPIC非隔離穩(wěn)壓，后級(jí)半橋隔離開環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)于傳統(tǒng)的反激式單原邊多副邊的集中式電源，特別適合作為100kW量級(jí)的新能源乘用車逆變器的驅(qū)動(dòng)電源，設(shè)計(jì)沒有采用往往不符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的電源類專用集成芯片，而是采用具有AEC認(rèn)證的汽車級(jí)通用分立器件，滿足了乘用車電子設(shè)計(jì)的苛刻要求。

圖6為后級(jí)半橋式開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)板實(shí)物

圖6：驅(qū)動(dòng)電源電路實(shí)物圖

表1：驅(qū)動(dòng)電源關(guān)鍵器件列表