電動汽車逆變器用IGBT驅(qū)動電源設(shè)計研究

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格的要求。以英飛凌的汽車級IGBT模塊FS800R07A2E3_B31為目標進行電源指標的具體計算，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 /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?？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)

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2.2~5.1歐范圍，因此實際開關(guān)峰值電流在4~10A范圍。

2 驅(qū)動電源電路設(shè)計 

2.1 電源拓撲設(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8~16V，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.

圖1：電源拓撲示意圖

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非隔離拓撲，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

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1:1.25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。

圖3：半橋開關(guān)電源電路原理圖


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SVPWM，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

設(shè)計驗證表明，前級SEPIC非隔離穩(wěn)壓，后級半橋隔離開環(huán)的拓撲結(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量級的新能源乘用車逆變器的驅(qū)動電源，設(shè)計沒有采用往往不符合汽車標準的電源類專用集成芯片，而是采用具有AEC認證的汽車級通用分立器件，滿足了乘用車電子設(shè)計的苛刻要求。

圖6為后級半橋式開關(guān)電源驅(qū)動板實物

圖6：驅(qū)動電源電路實物圖

表1：驅(qū)動電源關(guān)鍵器件列表