小小一颗IGBT如何撬动电动汽车逆变器?

2017-04-17 14:04:21 来源:电子产品世界
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电动汽车逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供动力,IGBT功率模块是电动汽车逆变器的核心功率器件,其驱动电路是发挥IGBT性能的关键电路。驱动电路的设计与工业通用变频器、风能太阳能逆变器的驱动电路有更为苛刻的技术要求,其中的电源电路受到空间尺寸小、工作温度高等限制,面临诸多挑战。

 

本文设计一种驱动供电电源,并通过实际测试证明其可用性。常见的驱动电源采用反激电路和单原边多副边的变压器进行设计。由于反激电源在开关关断期间才向负载提供能量输出的固有特性,使得其电流输出特性和瞬态控制特性相对来说都比较差。在100kW量级的IGBT模块空间布局中,单个变压器集中生产4到6个互相隔离的正负电源的设计存在诸多不弊端:电源过于集中,爬电距离和电气间隙难以保证,板上电源供电距离过长等等。本设计采用常见的非专用芯片进行电路设计,前级SEPIC电路实现闭环,后级半桥电路实现隔离有效解决了上述问题。该电路成功应用于国际领先的新能源汽车逆变器设计中。应用表明,该设计具有较好的灵活性、高可靠性和瞬态响应能力。

  

1 电动汽车逆变器驱动电源的要求分析

电动汽车逆变器驱动电源一般为6个互相隔离的+15V/-5V电源。该电源的功率、电气隔离能力、峰值电流能力、工作温度等等都有严格的要求。以英飞凌的汽车级IGBT模块FS800R07A2E3_B31为目标进行电源指标的具体计算,该模块支持高达150kW的逆变器系统设计。

  

1.1 驱动功率计算

该驱动电源的输入功率计算公式为:

  

P=f_sw×Q_g×△V_g /η (1)

  

其中f_sw开关频率取10kHz,Q_g根据数据手册取8.6nC,△V_g为门极驱动电压取23V。考虑到功率较小,效率取85%。此外注意到数据手册中的8.6nC是按照电压+/-15V计算,需考虑折算,最后计算结果为1.8W。考虑设计裕量1.1倍,记为2W。

  

1.2 驱动电流计算

平均驱动电流计算公式为:

I_av=f_sw×Q_g (2)

  

可以计算得到平均电流为86mA。

  

峰值电流计算公式为:

I_peak=△V_g /(R_gext+R_gint) (3)

 

R_gext为外部门极电阻,按数据手册取开通1.8欧关断0.75欧。R_gint为内部门极电阻,按数据手册取0.5欧,得到开通峰值电流10A,关断峰值电流18.4A。实际使用中,开通电阻和关断电阻需要进行开关速度与短路保护能力等性能的折衷,良好的设计值在2.2~5.1欧范围,因此实际开关峰值电流在4~10A范围。

  

2 驱动电源电路设计

2.1 电源拓扑设计

该电源的输入是新能源乘用车常规的12V电源,该电源通常波动范围是8~16V,而驱动电源的输出需要相对稳定。需要设计多组宽压输入、定压输出的隔离电源。本设计把电源分成两级:前级电源实现宽压输入、定压输出功能,后级实现隔离功能,结构见图1.

  

  图1:电源拓扑示意图

  

该结构的好处是:

一、前级电源无需解决隔离问题,可以采用常规的SEPIC或buck-boost非隔离拓扑,而且前级电源的输出是无需隔离的低压定压,在布局布线中无需考虑各组电源间的爬电距离和电气间隙问题。因此该部分前级可以作为低压弱电电路独立实现,无需占用驱动板面积。

 

二、后级电源无需解决反馈问题,采用开环控制,避免了隔离信号反馈的麻烦。因为乘用车设备的工况恶劣,工作温度变化范围非常大,传统的线性光耦等器件受温漂影响精度大幅降低,温漂补偿器件又成本很高,这种方式有效避免这一弊端。

  

 
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