小小一顆IGBT如何撬動(dòng)電動(dòng)汽車逆變器?
發(fā)布時(shí)間:2017-04-26 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(wèn)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??紤]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??紤]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(wú)需解決隔離問(wèn)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(wú)需隔離的低壓定壓,在布局布線中無(wú)需考慮各組電源間的爬電距離和電氣間隙問(wèn)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(wú)需占用驅(qū)動(dòng)板面積。
二、后級(jí)電源無(wú)需解決反饋問(wèn)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)電源設(shè)計(jì)
前級(jí)電源屬于典型定壓設(shè)計(jì),無(wú)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(lái)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(guò)倍壓整流得到+15V電壓,經(jīng)過(guò)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(guò)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(méi)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(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(méi)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。
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