【干貨】電動(dòng)汽車逆變器用IGBT驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)研究

　　新能源汽車網(wǎng)訊 電動(dòng)汽車逆變器用于控制汽車主電機(jī)為汽車運(yùn)行提供動(dòng)力，IGBT功率模塊是電動(dòng)汽車逆變器的核心功率器件，其驅(qū)動(dòng)電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與工業(yè)通用變頻器、風(fēng)能太陽(yáng)能逆變器的驅(qū)動(dòng)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(jì)一種驅(qū)動(dòng)供電電源，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明其可用性。

　　常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)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(jì)。由于反激電源在開(kāi)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(duì)來(lái)說(shuō)都比較差。在100kW量級(jí)的IGBT模塊空間布局中，單個(gè)變壓器集中生產(chǎn)4到6個(gè)互相隔離的正負(fù)電源的設(shè)計(jì)存在諸多不弊端：電源過(guò)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(guò)長(zhǎng)等等。本設(shè)計(jì)采用常見(jiàn)的非專用芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，前級(jí)SEPIC電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，后級(jí)半橋電路實(shí)現(xiàn)隔離有效解決了上述問(wèn)題。該電路成功應(yīng)用于國(guó)際領(lǐng)先的新能源汽車逆變器設(shè)計(jì)中。應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)具有較好的靈活性、高可靠性和瞬態(tài)響應(yīng)能力。

　　1 電動(dòng)汽車逆變器驅(qū)動(dòng)電源的要求分析

　　電動(dòng)汽車逆變器驅(qū)動(dòng)電源一般為6個(gè)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(jí)IGBT模塊FS800R07A2E3_B31為目標(biāo)進(jìn)行電源指標(biāo)的具體計(jì)算，該模塊支持高達(dá)150kW的逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1.1 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

　　該驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率計(jì)算公式為：

　　P=f_sw×Q_g×△V_g/η(1)

　　其中f_sw開(kāi)關(guān)頻率取10kHz，Q_g根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)取8.6nC，△V_g為門極驅(qū)動(dòng)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(cè)中的8.6nC是按照電壓+/-15V計(jì)算，需考慮折算，最后計(jì)算結(jié)果為1.8W。考慮設(shè)計(jì)裕量1.1倍，記為2W。

　　1.2 驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算

　　平均驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算公式為：

　　I_av=f_sw×Q_g(2)

　　可以計(jì)算得到平均電流為86mA。

　　峰值電流計(jì)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(cè)取開(kāi)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(cè)取0.5歐，得到開(kāi)通峰值電流10A，關(guān)斷峰值電流18.4A。實(shí)際使用中，開(kāi)通電阻和關(guān)斷電阻需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)速度與短路保護(hù)能力等性能的折衷，良好的設(shè)計(jì)值在2.2~5.1歐范圍，因此實(shí)際開(kāi)關(guān)峰值電流在4~10A范圍。

　　2 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電源拓?fù)湓O(shè)計(jì)

　　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(dòng)范圍是8~16V，而驅(qū)動(dòng)電源的輸出需要相對(duì)穩(wěn)定。需要設(shè)計(jì)多組寬壓輸入、定壓輸出的隔離電源。本設(shè)計(jì)把電源分成兩級(jí)：前級(jí)電源實(shí)現(xiàn)寬壓輸入、定壓輸出功能，后級(jí)實(shí)現(xiàn)隔離功能，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1：電源拓?fù)涫疽鈭D