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(jìn)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(jìn)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(jìn)行電源指標(biāo)的具體計算,該模塊支持高達(dá)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(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。
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)?,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(dú)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(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
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(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(jìn)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(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