解读电动汽车逆变器用IGBT驱动电源设计及可用性测试

  的驱动电路有更为苛刻的技术方面的要求，其中的电源电路受到空间尺寸小、工作时候的温度高等限制，面临诸多挑战。本文设计一种驱动供电电源，并通过实际测试证明其可用性。

  常见的驱动电源采用反激电路和单原边多副边的变压器进行设计。由于反激电源在开关关断期间才向负载提供能量输出的固有特性，使得其电流输出特性和瞬态控制特性相对来说都比较差。在100kW量级的IGBT模块空间布局中，单个变压器集中生产4到6个互相隔离的正负电源的设计存在诸多不弊端：电源过于集中，爬电距离和电气间隙很难保证，板上电源供电距离过长等等。本设计采用常见的非专用芯片进行电路设计，前级SEPIC电路实现闭环，后级半桥电路实现隔离有效解决了以上问题。该电路成功应用于国际领先的新能源汽车逆变器设计中。应用表明，该设计具备比较好的灵活性、高可靠性和瞬态响应能力。

  电动汽车逆变器驱动电源一般为6个互相隔离的+15V/-5V电源。该电源的功率、电气隔离能力、峰值电流能力、工作时候的温度等等都有严格的要求。以英飞凌的汽车级IGBT模块FS800R07A2E3_B31为目标进行电源指标的具体计算，该模块支持高达150kW的逆变器系统设计。

  其中f_sw开关频率取10kHz，Q_g依据数据手册取8.6nC，△V_g为门极驱动电压取23V。考虑到功率较小，效率取85%。此外注意到数据手册中的8.6nC是按照电压+/-15V计算，需考虑折算，最后计算结果为1.8W。考虑设计裕量1.1倍，记为2W。

  R_gext为外部门极电阻，按数据手册取开通1.8欧关断0.75欧。R_gint为内部门极电阻，按数据手册取0.5欧，得到开通峰值电流10A，关断峰值电流18.4A。实际使用中，开通电阻和关断电阻有必要进行开关速度与短路保护能力等性能的折衷，良好的设计值在2.2~5.1欧范围，因此实际开关峰值电流在4~10A范围。

  该电源的输入是新能源乘用车常规的12V电源，该电源通常波动范围是8~16V，而驱动电源的输出需要相对来说比较稳定。要设计多组宽压输入、定压输出的隔离电源。本设计把电源分成两级：前级电源实现宽压输入、定压输出功能，后级实现隔离功能，结构见图1.

  一、前级电源无需解决隔离问题，能够使用常规的SEPIC或buck-boost非隔离拓扑，而且前级电源的输出是无需隔离的低压定压，在布局布线中无需考虑各组电源间的爬电距离和电气间隙问题。因此该部分前级可当作低压弱电电路独立实现，无需占用驱动板面积。

  二、后级电源无需解决反馈问题，采用开环控制，避免了隔离信号反馈的麻烦。因为乘用车设备的工况恶劣，工作时候的温度变化范围非常大，传统的线性光耦等器件受温漂影响精度大幅度降低，温漂补偿器件又成本很高，这样的形式有很大成效避免这一弊端。

  前级电源属于典型定压设计，无需给出设计原理，本文重点介绍后级半桥电路。具体原理图见图2和图3。图2为采用汽车级定时器电路设计的50%占空比信号发生器，用于给半桥开关电源提供控制信号，其中R49可拿来调整开关频率，通常能设定在70kHz到300kHz之间，频率选择主要是依据电路板实际空间尺寸与变压器的伏秒积进行折衷选取。

  V为加在变压器上的电压，D是占空比，f_sw是开关频率。本设计选择了一颗ET值达44Vusec的变压器，因此开关频率设置较低，为120kHz。

  图3为半桥开关电源电路。此电路采取一颗IR的汽车级半桥芯片IRS2004S作为驱动，并联两个由Infineon BSR302N组成的并联半桥电路。采用匝比为1：1.25的通用变压器，经过倍压整流得到+15V电压，经过普通整流得到-8V电压。每个变压器用于给一个IGBT驱动供电。在变压器原边串联入汽车级EMC磁珠，可以轻松又有效抑制开关产生的电压尖峰，器件具体信息见附录表1。IGBT门极是一种容性负载，每次开关都伴随着较高瞬态电流，即前文计算的峰值驱动电流，因此就需要一种纹波电流能力强的长寿命电容，每路电源采用4.7uF X7R汽车级多层陶瓷电容，实现瞬态电压支撑。X7R多层陶瓷电容具有封装小，ESR低，允许纹波电流大，温度降低容量衰减少等优点。

  实际测试条件为，后级输入定电压16.5V，输入电流0.67A，IGBT开关频率10kHz，信号为SVPWM，开关电源工作频率120kHz，室温条件。经简单计算可知，每路功耗1.84W，与理论计算相符合。

  选取高占空比和低占空比两个工况，观察相关信号的波形，见图4和图5。其中橙色的1通道显示低压侧驱动输入信号，粉色2通道显示-8V电源输出端的波形，蓝色3通道显示+15V电源输出端波形，绿色4通道显示门极输出波形。

  在IGBT开通时刻，由于电源电容电荷迅速通过门极电阻转移到门极，时间一般只有1~3us，产生+15V电源上的电压跌落，但是很快就能恢复到平台电压。同理，在IGBT关断时刻，也会使-8V电源产生电压跌落。这种跌落是不可能会引起IGBT开通或关断的不良反应，因此是可接受的。对比图4和图5也能发现，占空比大小不会影响电压跌落的幅值和持续的时间，是因为IGBT的门极是容性负载。