0 引言

    純電動(dòng)汽車(chē)電控系統(tǒng)是整車(chē)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(mǎn)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(chē)用IGBT驅(qū)動(dòng)電源特性分析

    目前，純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)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?。副邊為倍壓整流電路?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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)圈正極通過(guò)電容C7、C8和二極管D3到線(xiàn)圈負(fù)極，二是由線(xiàn)圈正極通過(guò)二極管D2和電容C6到線(xiàn)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(xiàn)圈正極通過(guò)C6、D1、C2到線(xiàn)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(mǎn)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(chē)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)