電機控制器IGBT驅動電源的設計
純電動汽車電控系統是整車的核心，高效穩定的IGBT逆變回路能夠提升電控系統的性能。正常工作時IGBT處於高頻、高壓、大電流工況，一旦驅動電源設計不合理使IGBT工作異常，輕則系統無法正常工作，重則引起模塊炸裂[1]。湯健強、周雅夫等人提出利用反激拓撲方案設計驅動電源，雖可實現多種方式的驅動電源電路，但高低壓反饋網絡處在同一電路中存在安全隱患，並且電源只在開關關斷時才向副邊傳輸能量導致電源瞬態特性差[2-3]；在IGBT逆變回路中有6組隔離的驅動電源，若採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足要求[4-5]；孔維功等人提出一種前後級的驅動電源設計思想，但沒有給出具體的方案[6]。爲了解決這些問題，設計一款基於推輓拓撲的IGBT驅動電源，包含由UCC2808芯片生成推輓PWM信號、推輓變壓器設計、輸出端倍壓整流電路。
1 車用IGBT驅動電源特性分析
目前，純電動汽車車載電瓶額定電壓有12 V和24 V兩種規格，並存在±20%的波動，整個電控系統弱電由車載電瓶提供，考慮到高低壓電氣隔離和IGBT模塊封裝尺寸等問題，通常電機控制器主控電路和驅動電路分佈於兩塊PCB板上。本次驅動電源的設計框架如圖1所示，主控板的電壓變換電路通常採用DC/DC變換器(如SEPIC電路)或反激電路實現，主要取決於整個電控系統電源架構的設計和佈局，本設計生成的18 V電壓存在±10%的波動。SEPIC電路能夠實現寬範圍電壓輸入恆壓輸出，可以消除車載電瓶電壓波動對系統的影響[6]，反激電路則可實現多路輸出，爲不同的模塊供電，低壓端通過三個推輓變壓器爲高壓端的IGBT提供驅動電源，變壓器的原副邊爲開環控制，相比於反激方案實現了高低壓的隔離。
從FS400R07A3E3手冊查得IGBT的開通和關斷電壓範圍爲±20 V。通常對於工作在飽和狀態的IGBT，IC一定的情況下，VCE隨着UGE增大而減小，而在VCE一定時，IC隨着UGE的增大而增大。開通和關斷過程中的損耗主要由IC和VCE決定，故選擇合適的開通電壓可以減小IGBT的開通損耗；同時，過高的開通電壓使柵極電容迅速充電容易引起振盪，過低則會使開通不徹底，增加導通損耗，因此開通電壓一般選取15 V左右。另外，IGBT的米勒效應會使原本關斷的IGBT誤導通，負壓關斷可避免該情況，而逆變回路中的雜散電感在關斷時引起的電壓尖峯也必須控制在合理範圍，有相關文獻顯示-8 V左右的關斷電壓是比較適合的[7-8]。
2 IGBT驅動電源設計
2.1 推輓電源PWM信號生成電路設計
UCC2808系列是德州儀器推出的一類基於BiCOMS工藝的電流型脈寬調製芯片，具有高速、低功耗的特點，其內部有誤差放大器、PWM比較器、過流比較器以及振盪器等[9]，僅需很少的外圍元件就可實現固定頻率的PWM驅動脈衝信號，電路結構如圖2所示。OUTA、OUTB引腳可同時驅動對管MOSFET，其驅動信號的頻率爲振盪器頻率的一半且兩個輸出之間的死區時間爲60 ns～200 ns，本次設計的驅動頻率爲170 kHz，通過調整4腳外部的RC大小可設置振盪器頻率fz，計算如式(1)所示。正常工作時兩個MOS管交替導通，SW1、SW2接至隔離變壓器的原邊，通過電流採樣電阻R5將過流信號反饋到CS引腳。
2.2 推輓電路設計
推輓變換器是由兩個單端正激變換器演變而來的，如圖3所示。電路中當Q關斷時去磁繞組N3的電壓爲上正下負，經過續流二極管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所示的推輓變換器中，當NP2繞組對應的上管關閉時NP1通過電流採樣電阻R5及下管的二極管向電源反向充電，避免磁芯飽和[10]。正常工作時原邊兩個MOSFET推輓輸出，通過變壓器將能量傳輸到副邊。副邊爲倍壓整流電路，+15 V_UT、-8 V_UT表示U相上橋的開通和關斷電壓，+15 V_UB、-8 V_UB爲U相下橋的開通和關斷電壓。V、W相驅動電源結構和U相完全一致，利用三個推輓變壓器實現了每相IGBT驅動電源的隔離。
2.3 變壓器設計
三相全橋逆變電路中每個橋臂的驅動電源都是獨立且完全對稱的，圖1中單個IGBT柵級所需驅動功率爲：
式中：Pdrv_out爲單個IGBT所需額定驅動功率；Qg爲IGBT開通和關斷期間柵級總電荷，手冊數據爲4.3 μC；fs爲IGBT的開關頻率，取10 kHz；VH、VL爲開通和關斷電壓分別爲15 V和-8 V。
算得Pdrv_out爲0.989 W，考慮餘量和兼容性，將Pdrv_out設計爲2 W(8 V/250 mA)，如圖4中所示可認爲變壓器的副邊Ns1和Ns2的輸出額定功率均爲2 W。
變壓器原邊的輸入功率計算公式爲：
式中：Pin爲原邊輸入功率；VO1、IO1爲Ns1輸出的額定電壓和電流，取8 V、250 mA；VO2、IO2爲Ns2輸出的額定電壓和電流，取8 V、250 mA；η爲原副邊的傳輸效率，取0.75。
原邊電感量計算公式爲：
式中：Lp爲原邊NP1、NP2的電感量，且兩者相等；Vin爲原邊輸入直流電壓，取18 V；D爲推輓MOS管的導通佔空比，取0.47；f爲推輓MOS管的導通頻率，取170 kHz。
原邊電流峯值計算公式爲：
式中：NP爲Np1、Np2的線圈匝數，且兩者相等；Ae指磁芯窗口有效截面積取8.47 mm2。
副邊匝數計算公式爲：
式中：NS爲Ns1、Ns2的匝數，且兩者相等；VO爲副邊輸出電壓取8 V。
2.4 倍壓整流電路設計
圖5中當Ns1爲上正下負時電流有兩條流通路徑，一是由線圈正極通過電容C7、C8和二極管D3到線圈負極，二是由線圈正極通過二極管D2和電容C6到線圈負極。此時D1處於反向截止狀態，達到穩態時C6、C7、C8兩端電壓均爲Ns1兩端電壓減去二極管壓降，約爲7.3 V，即VL爲-7.3 V。
圖6中當Ns1下正上負時電流只有一條流通路徑，由線圈正極通過C6、D1、C2到線圈負極。此時D2、D3處於反向截止狀態，C2兩端電壓即爲IGBT的開通電壓VH，根據基爾霍夫電壓定理可知C2兩端的電壓大小計算公式爲：
式中：VC6爲C6處於穩態時的電壓7.3 V；VNS1指Ns1兩端的電壓8 V；二極管D1的管壓降VD1爲0.7 V。
電源在驅動電路中的連接方式如圖7所示(以U相上橋爲例)，驅動芯片左側爲低壓部分，PWM+、PWM-是驅動互鎖信號控制IGBT的開通和關斷。右邊爲高壓部分，當驅動芯片OUT引腳輸出高電平時三極管Q1導通，開通電壓+15 V_UT通過開通電阻R1給IGBT柵極G_UT充電。同理，當OUT輸出端爲低電平時三級管Q2導通，柵極通過關斷電阻R2至-8 V_UT進行放電，R1、R2、C2爲驅動參數，相互匹配能夠調節IGBT的開通和關斷速度。R3的作用是防止MOS管誤開通，而二極管D1和雙向穩壓管D2能夠使柵級電壓鉗位在合理範圍[11]。
3 仿真驗證
如圖8所示在LTspice仿真軟件上對設計電路進行驗證，結果如圖9所示。推輓電路中兩個MOS管的驅動PWM信號由軟件庫自帶的函數信號發生器V1、V2生成。滿載電流可按下式估算：
仿真中用可變電流源作爲負載驗證驅動電源的帶載能力，從圖9中可以看出負載由輕載到重載變化時開通和關斷電壓在±100 mV內波動，說明該電源有良好的帶載能力。
4 樣機測試
變壓器原邊直流輸入電壓Vin存在±10 %的波動，在該輸入電壓下所測驅動電源指標如表1所示，表中數據爲6組驅動電源的均值。U相所測相關波形如圖10所示，(a)、(b)所測結果與圖9中的仿真數據相差不大，(c)中所測紋波爲40 mV左右。說明該電源設計合理、性能穩定。
5 結論
本文提出的一種基於推輓電路的IGBT驅動電源的設計，在電氣隔離和動態響應方面較傳統電源有很大提升。但輸入電壓Vin存在±10%的波動使電源無法發揮最優性能，是後期的優化方向。另外，本設計已應用到純電動車電機控制器中，能夠安全穩定運行。
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作者信息:
楊海清，楊 超
(浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州310023)
