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，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&TImes;Q_g&TImes;△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&TImes;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?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.
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)?，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,。
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(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,。
4 結(jié)論
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?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(biāo)準(zhǔn)的電源類專用集成芯片,，而是采用具有AEC認(rèn)證的汽車級通用分立器件,，滿足了乘用車電子設(shè)計的苛刻要求。