0 引言

    純電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)是整車的核心,，高效穩(wěn)定的IGBT逆變回路能夠提升電控系統(tǒng)的性能。正常工作時(shí)IGBT處于高頻,、高壓,、大電流工況,，一旦驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)不合理使IGBT工作異常，輕則系統(tǒng)無(wú)法正常工作,，重則引起模塊炸裂^[1],。湯健強(qiáng)、周雅夫等人提出利用反激拓?fù)?/a>方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源,，雖可實(shí)現(xiàn)多種方式的驅(qū)動(dòng)電源電路,，但高低壓反饋網(wǎng)絡(luò)處在同一電路中存在安全隱患，并且電源只在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)才向副邊傳輸能量導(dǎo)致電源瞬態(tài)特性差^[2-3],；在IGBT逆變回路中有6組隔離的驅(qū)動(dòng)電源,，若采用單原邊多副邊的變壓器方案電氣隔離和爬電距離難以滿足要求^[4-5]；孔維功等人提出一種前后級(jí)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)思想,，但沒(méi)有給出具體的方案^[6],。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款基于推挽拓?fù)涞腎GBT驅(qū)動(dòng)電源,，包含由UCC2808芯片生成推挽PWM信號(hào),、推挽變壓器設(shè)計(jì)、輸出端倍壓整流電路,。

1 車用IGBT驅(qū)動(dòng)電源特性分析

    目前,，純電動(dòng)汽車車載電瓶額定電壓有12 V和24 V兩種規(guī)格，并存在±20%的波動(dòng),，整個(gè)電控系統(tǒng)弱電由車載電瓶提供,，考慮到高低壓電氣隔離和IGBT模塊封裝尺寸等問(wèn)題，通常電機(jī)控制器主控電路和驅(qū)動(dòng)電路分布于兩塊PCB板上,。本次驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)框架如圖1所示,，主控板的電壓變換電路通常采用DC/DC變換器(如SEPIC電路)或反激電路實(shí)現(xiàn)，主要取決于整個(gè)電控系統(tǒng)電源架構(gòu)的設(shè)計(jì)和布局,，本設(shè)計(jì)生成的18 V電壓存在±10%的波動(dòng),。SEPIC電路能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍電壓輸入恒壓輸出，可以消除車載電瓶電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響^[6],，反激電路則可實(shí)現(xiàn)多路輸出,，為不同的模塊供電，低壓端通過(guò)三個(gè)推挽變壓器為高壓端的IGBT提供驅(qū)動(dòng)電源,，變壓器的原副邊為開(kāi)環(huán)控制,，相比于反激方案實(shí)現(xiàn)了高低壓的隔離。

    從FS400R07A3E3手冊(cè)查得IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷電壓范圍為±20 V,。通常對(duì)于工作在飽和狀態(tài)的IGBT,，I_C一定的情況下，V_CE隨著U_GE增大而減小,，而在V_CE一定時(shí),，I_C隨著UGE的增大而增大,。開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的損耗主要由I_C和V_CE決定，故選擇合適的開(kāi)通電壓可以減小IGBT的開(kāi)通損耗,；同時(shí),，過(guò)高的開(kāi)通電壓使柵極電容迅速充電容易引起振蕩,，過(guò)低則會(huì)使開(kāi)通不徹底,，增加導(dǎo)通損耗，因此開(kāi)通電壓一般選取15 V左右,。另外,，IGBT的米勒效應(yīng)會(huì)使原本關(guān)斷的IGBT誤導(dǎo)通，負(fù)壓關(guān)斷可避免該情況,，而逆變回路中的雜散電感在關(guān)斷時(shí)引起的電壓尖峰也必須控制在合理范圍,，有相關(guān)文獻(xiàn)顯示-8 V左右的關(guān)斷電壓是比較適合的^[7-8]。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

2.1 推挽電源PWM信號(hào)生成電路設(shè)計(jì)

    UCC2808系列是德州儀器推出的一類基于BiCOMS工藝的電流型脈寬調(diào)制芯片,，具有高速,、低功耗的特點(diǎn)，其內(nèi)部有誤差放大器,、PWM比較器,、過(guò)流比較器以及振蕩器等^[9]，僅需很少的外圍元件就可實(shí)現(xiàn)固定頻率的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,。OUTA、OUTB引腳可同時(shí)驅(qū)動(dòng)對(duì)管MOSFET,，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為振蕩器頻率的一半且兩個(gè)輸出之間的死區(qū)時(shí)間為60 ns～200 ns,，本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)頻率為170 kHz，通過(guò)調(diào)整4腳外部的RC大小可設(shè)置振蕩器頻率f_z,，計(jì)算如式(1)所示,。正常工作時(shí)兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通，SW1,、SW2接至隔離變壓器的原邊,，通過(guò)電流采樣電阻R5將過(guò)流信號(hào)反饋到CS引腳。

2.2 推挽電路設(shè)計(jì)

    推挽變換器是由兩個(gè)單端正激變換器演變而來(lái)的,，如圖3所示,。電路中當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)去磁繞組N3的電壓為上正下負(fù)，經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管VD1將磁芯中的剩磁能量向電源饋送,，可以避免變壓器磁芯飽和,。而在如圖4所示的推挽變換器中，當(dāng)NP2繞組對(duì)應(yīng)的上管關(guān)閉時(shí)NP1通過(guò)電流采樣電阻R₅及下管的二極管向電源反向充電,，避免磁芯飽和^[10],。正常工作時(shí)原邊兩個(gè)MOSFET推挽輸出,，通過(guò)變壓器將能量傳輸?shù)礁边叀８边厼楸秹赫麟娐罚?15 V_UT,、-8 V_UT表示U相上橋的開(kāi)通和關(guān)斷電壓,，+15 V_UB、-8 V_UB為U相下橋的開(kāi)通和關(guān)斷電壓,。V,、W相驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)和U相完全一致，利用三個(gè)推挽變壓器實(shí)現(xiàn)了每相IGBT驅(qū)動(dòng)電源的隔離,。

2.3 變壓器設(shè)計(jì)

    三相全橋逆變電路中每個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電源都是獨(dú)立且完全對(duì)稱的,，圖1中單個(gè)IGBT柵級(jí)所需驅(qū)動(dòng)功率為：

式中：P_{drv_out}為單個(gè)IGBT所需額定驅(qū)動(dòng)功率；Q_g為IGBT開(kāi)通和關(guān)斷期間柵級(jí)總電荷,，手冊(cè)數(shù)據(jù)為4.3 μC,；f_s為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，取10 kHz,；V_H,、V_L為開(kāi)通和關(guān)斷電壓分別為15 V和-8 V。

    算得P_{drv_out}為0.989 W,，考慮余量和兼容性,，將P_{drv_out}設(shè)計(jì)為2 W(8 V/250 mA)，如圖4中所示可認(rèn)為變壓器的副邊Ns1和Ns2的輸出額定功率均為2 W,。

    變壓器原邊的輸入功率計(jì)算公式為：

式中：P_in為原邊輸入功率,；V_O1、I_O1為Ns1輸出的額定電壓和電流,，取8 V,、250 mA；VO2,、IO2為Ns2輸出的額定電壓和電流,，取8 V、250 mA,；η為原副邊的傳輸效率,，取0.75。

    原邊電感量計(jì)算公式為：

式中：L_p為原邊NP1,、NP2的電感量,，且兩者相等；V_in為原邊輸入直流電壓,，取18 V,；D為推挽MOS管的導(dǎo)通占空比，取0.47；f為推挽MOS管的導(dǎo)通頻率,，取170 kHz,。

    原邊電流峰值計(jì)算公式為：

式中：N_P為Np1、Np2的線圈匝數(shù),，且兩者相等,；Ae指磁芯窗口有效截面積取8.47 mm²。

    副邊匝數(shù)計(jì)算公式為：

式中：N_S為Ns1,、Ns2的匝數(shù),，且兩者相等；V_O為副邊輸出電壓取8 V,。

2.4 倍壓整流電路設(shè)計(jì)

    圖5中當(dāng)Ns1為上正下負(fù)時(shí)電流有兩條流通路徑,，一是由線圈正極通過(guò)電容C7,、C8和二極管D3到線圈負(fù)極,，二是由線圈正極通過(guò)二極管D2和電容C6到線圈負(fù)極。此時(shí)D1處于反向截止?fàn)顟B(tài),，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)C6,、C7、C8兩端電壓均為Ns1兩端電壓減去二極管壓降,，約為7.3 V,，即VL為-7.3 V。

    圖6中當(dāng)Ns1下正上負(fù)時(shí)電流只有一條流通路徑,，由線圈正極通過(guò)C6,、D1、C2到線圈負(fù)極,。此時(shí)D2,、D3處于反向截止?fàn)顟B(tài)，C2兩端電壓即為IGBT的開(kāi)通電壓V_H,，根據(jù)基爾霍夫電壓定理可知C2兩端的電壓大小計(jì)算公式為：

式中：V_C6為C6處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓7.3 V,；V_NS1指Ns1兩端的電壓8 V；二極管D1的管壓降VD1為0.7 V,。

    電源在驅(qū)動(dòng)電路中的連接方式如圖7所示(以U相上橋?yàn)槔?,，驅(qū)動(dòng)芯片左側(cè)為低壓部分，PWM+,、PWM-是驅(qū)動(dòng)互鎖信號(hào)控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷,。右邊為高壓部分，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片OUT引腳輸出高電平時(shí)三極管Q1導(dǎo)通,，開(kāi)通電壓+15 V_UT通過(guò)開(kāi)通電阻R1給IGBT柵極G_UT充電,。同理，當(dāng)OUT輸出端為低電平時(shí)三級(jí)管Q2導(dǎo)通，柵極通過(guò)關(guān)斷電阻R2至-8 V_UT進(jìn)行放電,，R1,、R2、C2為驅(qū)動(dòng)參數(shù),，相互匹配能夠調(diào)節(jié)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷速度,。R₃的作用是防止MOS管誤開(kāi)通，而二極管D1和雙向穩(wěn)壓管D2能夠使柵級(jí)電壓鉗位在合理范圍^[11],。

3 仿真驗(yàn)證

    如圖8所示在LTspice仿真軟件上對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行驗(yàn)證,，結(jié)果如圖9所示。推挽電路中兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)由軟件庫(kù)自帶的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器V1,、V2生成,。滿載電流可按下式估算：

    仿真中用可變電流源作為負(fù)載驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電源的帶載能力，從圖9中可以看出負(fù)載由輕載到重載變化時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷電壓在±100 mV內(nèi)波動(dòng),，說(shuō)明該電源有良好的帶載能力,。

4 樣機(jī)測(cè)試

    變壓器原邊直流輸入電壓V_in存在±10 %的波動(dòng)，在該輸入電壓下所測(cè)驅(qū)動(dòng)電源指標(biāo)如表1所示,，表中數(shù)據(jù)為6組驅(qū)動(dòng)電源的均值,。U相所測(cè)相關(guān)波形如圖10所示，(a),、(b)所測(cè)結(jié)果與圖9中的仿真數(shù)據(jù)相差不大,，(c)中所測(cè)紋波為40 mV左右。說(shuō)明該電源設(shè)計(jì)合理,、性能穩(wěn)定,。

5 結(jié)論

    本文提出的一種基于推挽電路的IGBT驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，在電氣隔離和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面較傳統(tǒng)電源有很大提升,。但輸入電壓Vin存在±10%的波動(dòng)使電源無(wú)法發(fā)揮最優(yōu)性能,，是后期的優(yōu)化方向。另外,，本設(shè)計(jì)已應(yīng)用到純電動(dòng)車電機(jī)控制器中,，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者信息:

楊海清,，楊  超

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州310023)