OFweek智能硬件網(wǎng)訊 電動汽車逆變器用于控制汽車主電機(jī)為汽車運(yùn)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(jì)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(jì)一種驅(qū)動供電電源，并通過實(shí)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(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)控制特性相對來說都比較差。在100kW量級的IGBT模塊空間布局中，單個變壓器集中生產(chǎn)4到6個互相隔離的正負(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SEPIC電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，后級半橋電路實(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(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)動功率計(jì)算
該驅(qū)動電源的輸入功率計(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)手冊取8.6nC，△V_g為門極驅(qū)動電壓取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)動電流計(jì)算
平均驅(qū)動電流計(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(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，該電源通常波動范圍是8~16V，而驅(qū)動電源的輸出需要相對穩(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：前級電源實(shí)現(xiàn)寬壓輸入、定壓輸出功能，后級實(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)洌仪凹夒娫吹妮敵鍪菬o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(dú)立實(shí)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?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 后級半橋開關(guān)電源設(shè)計(jì)
前級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)介紹后級半橋電路。具體原理圖見圖2和圖3。圖2為采用汽車級定時器電路設(shè)計(jì)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(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1：1.25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(jì)算的峰值驅(qū)動電流，因此需要一種紋波電流能力強(qiáng)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(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
