【干貨】電動汽車逆變器用IGBT驅(qū)動電源設(shè)計及可用性測試

電動汽車逆變器用于控制汽車主電機(jī)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(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×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)手冊取8.6nC，△V_g為門極驅(qū)動電壓取23V。考慮到功率較小，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。考慮設(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×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