電動汽車逆變器用IGBT驅(qū)動電源設計

1 驅(qū)動電源電路設計

1.1 電源拓撲設計

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。需要設計多組寬壓輸入、定壓輸出的隔離電源。本設計把電源分成兩級：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，結構見圖1.

圖1：電源拓撲示意圖

該結構的好處是：

一、前級電源無需解決隔離問題，可以采用常規(guī)的SEPIC或buck-boost非隔離拓撲，而且前級電源的輸出是無需隔離的低壓定壓，在布局布線中無需考慮各組電源間的爬電距離和電氣間隙問題。因此該部分前級可以作為低壓弱電電路獨立實現(xiàn)，無需占用驅(qū)動板面積。

二、后級電源無需解決反饋問題，采用開環(huán)控制，避免了隔離信號反饋的麻煩。因為乘用車設備的工況惡劣，工作溫度變化范圍非常大，傳統(tǒng)的線性光耦等器件受溫漂影響精度大幅降低，溫漂補償器件又成本很高，這種方式有效避免這一弊端。

1.2 后級半橋開關電源設計

前級電源屬于典型定壓設計，無需給出設計原理，本文重點介紹后級半橋電路。具體原理圖見圖2和圖3。圖2為采用汽車級定時器電路設計的50%占空比信號發(fā)生器，用于給半橋開關電源提供控制信號，其中R49可以用來調(diào)整開關頻率，一般可以設定在70kHz到300kHz之間，頻率選擇主要根據(jù)電路板實際空間尺寸和變壓器的伏秒積進行折衷選取。

從變壓器計算伏秒積的公式為：

ET=V*D/f_sw (4)

V為加在變壓器上的電壓，D是占空比，f_sw是開關頻率。本設計選擇了一顆ET值達44Vusec的變壓器，因此開關頻率設置較低，為120kHz。

圖2: 50%占空比信號發(fā)生電路

圖3為半橋開關電源電路。此電路采用一顆IR的汽車級半橋芯片IRS2004S作為驅(qū)動，并聯(lián)兩個由Infineon BSR302N組成的并聯(lián)半橋電路。采用匝比為1:1.25的通用變壓器，經(jīng)過倍壓整流得到+15V電壓，經(jīng)過普通整流得到-8V電壓。每個變壓器用于給一個IGBT驅(qū)動供電。在變壓器原邊串聯(lián)入汽車級EMC磁珠，可以有效抑制開關產(chǎn)生的電壓尖峰，器件具體信息見附錄表1。IGBT門極是一種容性負載，每次開關都伴隨著較高瞬態(tài)電流，即前文計算的峰值驅(qū)動電流，因此需要一種紋波電流能力強的長壽命電容，每路電源采用4.7uF X7R汽車級多層陶瓷電容，實現(xiàn)瞬態(tài)電壓支撐。X7R多層陶瓷電容具有封裝小，ESR低，允許紋波電流大，溫度降低容量衰減少等優(yōu)點。

圖3：半橋開關電源電路原理圖