電動汽車逆變器用IGBT驅(qū)動電源設(shè)計及可用性測試

1、電動汽車逆變器用IGBT驅(qū)動電源設(shè)計及可用性測試電動汽車逆變器用于控制汽車主電機為汽車運行提供動力，IGBT功率模塊是電動汽車逆變器的核心功率器件，其驅(qū)動電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。驅(qū)動電路的設(shè)計與工業(yè)通用變頻器、風(fēng)能太陽能逆變器的驅(qū)動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)計一種驅(qū)動供電電源，并通過實際測試證明其可用性。常見的驅(qū)動電源采用反激電路和單原邊多副邊的變壓器進行設(shè)計。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)控制特性相對來說都比較差。在100kW量級的IGBT模塊空間布局中，單個變壓

2、器集中生產(chǎn)4到6個互相隔離的正負(fù)電源的設(shè)計存在諸多不弊端：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等等。本設(shè)計采用常見的非專用芯片進行電路設(shè)計，前級SEPIC電路實現(xiàn)閉環(huán)，后級半橋電路實現(xiàn)隔離有效解決了上述問題。該電路成功應(yīng)用于國際領(lǐng)先的新能源汽車逆變器設(shè)計中。應(yīng)用表明，該設(shè)計具有較好的靈活性、高可靠性和瞬態(tài)響應(yīng)能力。1 電動汽車逆變器驅(qū)動電源的要求分析電動汽車逆變器驅(qū)動電源一般為6個互相隔離的+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IGBT模塊FS800R07A2E3_B31為目標(biāo)進行電源指標(biāo)的具體計算

3、，該模塊支持高達150kW的逆變器系統(tǒng)設(shè)計。1.1 驅(qū)動功率計算該驅(qū)動電源的輸入功率計算公式為：P=f_sw×Q_g×V_g/(1)其中f_sw開關(guān)頻率取10kHz，Q_g根據(jù)數(shù)據(jù)手冊取8.6nC，V_g為門極驅(qū)動電壓取23V?？紤]到功率較小，效率取85%。此外注意到數(shù)據(jù)手冊中的8.6nC是按照電壓+/-15V計算，需考慮折算，最后計算結(jié)果為1.8W?？紤]設(shè)計裕量1.1倍，記為2W。1.2 驅(qū)動電流計算平均驅(qū)動電流計算公式為：I_av=f_sw×Q_g(2)可以計算得到平均電流為86mA。峰值電流計算公式為：I_peak=V_g/(R_gext+R_gint)(3

4、)R_gext為外部門極電阻，按數(shù)據(jù)手冊取開通1.8歐關(guān)斷0.75歐。R_gint為內(nèi)部門極電阻，按數(shù)據(jù)手冊取0.5歐，得到開通峰值電流10A，關(guān)斷峰值電流18.4A。實際使用中，開通電阻和關(guān)斷電阻需要進行開關(guān)速度與短路保護能力等性能的折衷，良好的設(shè)計值在2.25.1歐范圍，因此實際開關(guān)峰值電流在410A范圍。2 驅(qū)動電源電路設(shè)計2.1 電源拓?fù)湓O(shè)計該電源的輸入是新能源乘用車常規(guī)的12V電源，該電源通常波動范圍是816V，而驅(qū)動電源的輸出需要相對穩(wěn)定。需要設(shè)計多組寬壓輸入、定壓輸出的隔離電源。本設(shè)計把電源分成兩級：前級電源實現(xiàn)寬壓輸入、定壓輸出功能，后級實現(xiàn)隔離功能，結(jié)構(gòu)見圖1.該結(jié)構(gòu)的好處是

5、：一、前級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)?，而且前級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。因此該部分前級可以作為低壓弱電電路獨立實現(xiàn)，無需占用驅(qū)動板面積。二、后級電源無需解決反饋問題，采用開環(huán)控制，避免了隔離信號反饋的麻煩。因為乘用車設(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，溫漂補償器件又成本很高，這種方式有效避免這一弊端。2.2 后級半橋開關(guān)電源設(shè)計前級電源屬于典型定壓設(shè)計，無需給出設(shè)計原理，本文重點介紹后級半橋電路。具體原理圖見圖2和圖3。圖2為采用汽車

6、級定時器電路設(shè)計的50%占空比信號發(fā)生器，用于給半橋開關(guān)電源提供控制信號，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)電路板實際空間尺寸和變壓器的伏秒積進行折衷選取。從變壓器計算伏秒積的公式為：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)計選擇了一顆ET值達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的汽車級半橋芯片IRS2004S作為驅(qū)動，并聯(lián)兩個由Infineon BSR302N組成的并聯(lián)半橋電路。采用匝比為1

7、：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。每個變壓器用于給一個IGBT驅(qū)動供電。在變壓器原邊串聯(lián)入汽車級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，即前文計算的峰值驅(qū)動電流，因此需要一種紋波電流能力強的長壽命電容，每路電源采用4.7uF X7R汽車級多層陶瓷電容，實現(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。3 測試結(jié)果實際測試條件為，后級輸入定電壓16.5V，輸入電流0.67A，IGBT開關(guān)頻率10kHz，信號為SVP

8、WM，開關(guān)電源工作頻率120kHz，室溫條件。經(jīng)簡單計算可知，每路功耗1.84W，與理論計算相符合。選取高占空比和低占空比兩個工況，觀察相關(guān)信號的波形，見圖4和圖5。其中橙色的1通道顯示低壓側(cè)驅(qū)動輸入信號，粉色2通道顯示-8V電源輸出端的波形，藍色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開通時刻，由于電源電容電荷迅速通過門極電阻轉(zhuǎn)移到門極，時間一般只有13us，產(chǎn)生+15V電源上的電壓跌落，但是很快就可以恢復(fù)到平臺電壓。同理，在IGBT關(guān)斷時刻，也會使-8V電源產(chǎn)生電壓跌落。這種跌落是不會引起IGBT開通或關(guān)斷的不良反應(yīng)，因此是可以接受的。對比圖4和圖5也能夠發(fā)現(xiàn)，占空比大小不會影響電壓跌落的幅值和持續(xù)的時間，這是因為IGBT的門極是容性負(fù)載。圖4和圖5中還能看到，在IGBT關(guān)斷時刻使開通電壓波形產(chǎn)生了一個的尖峰，由于此時開通電壓電源處于瞬時空載狀態(tài)，不會對驅(qū)動控制產(chǎn)生影響。整體上看，原邊的低壓弱電信號和副邊的低壓強電信號都沒有受到開關(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4 結(jié)論設(shè)計驗證表明，前級SEP