一種車載IGBT驅(qū)動電源設(shè)計

楊顯國+張紅霞+彭金城+趙偉

摘 要：本文介紹一種車載IGBT驅(qū)動電源設(shè)計，該電源為多路輸出單端反激開關(guān)電源。根據(jù)技術(shù)要求詳細(xì)介紹了該電路的具體設(shè)計步驟及電路參數(shù)。測試結(jié)果表明，該電源的可靠性高、穩(wěn)定性好、輸出紋波小，滿足車載IGBT驅(qū)動電源要求。

關(guān)鍵詞：混合動力；開關(guān)電源；單端反激

中圖分類號：TP211+.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0030-04

Design of Power Supply for an Automotive IGBT Drive

YANG Xian-guo， ZHANG Hong-xia， PENG Jin-cheng， ZHAO Wei

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China ）

Abstract： This paper introduce a single-end flyback converter with multiplexed output for IGBT drive. The design process and the specific of the circuit are introduce. The test indicates that this power has outstanding reliability， stability and lower ripple. This power fully comply with the requirements of the automotive IGBT driver.

Key Words： hybrid power； switching power supply； single-end flyback converter

引言

IGBT是目前混合動力汽車高壓混合動力系統(tǒng)中必須采用功率開關(guān)器件。IGBT柵極驅(qū)動對電壓要求極為苛引 言刻，而汽車電氣環(huán)境較為復(fù)雜。所以電源需要在寬電壓環(huán)境中工作，且輸入與輸出必須隔離開來，必須具有高可靠性和高穩(wěn)定性。單端反激式開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，非常適合用于設(shè)計功率器件的驅(qū)動電電源。

開關(guān)電源控制電路分為電流控制型和電壓控制型。電壓控制型控制電路是一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過程中電源的電感電流未參與控制，是一個獨立變量，開關(guān)變換器為有條件穩(wěn)定二階系統(tǒng)。電流控制型控制電路是一個電流、電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電感電流不是一個獨立的變量，開關(guān)變換器為一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，從而可以得到更大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特征。為此本文選擇流控型芯片LM3478設(shè)計了一款車載IGBT驅(qū)動電源。主要技術(shù)參數(shù)：輸入8-16V直流，輸出：4路輸出（每路28V/0.16A），工作頻率100KHz，輸出紋波小于1%。

1 主電設(shè)計

1.1 主電路拓?fù)?/p>

主電路拓?fù)淙鐖D1所示。主電路采用單端反激式變換電路，+12V為電池直流經(jīng)電源預(yù)處理后的輸出電壓，作為開關(guān)電源輸入電壓。開關(guān)電源分四路輸出提供給IGBT驅(qū)動電路。

1.2 電源預(yù)處理電路設(shè)計

電源預(yù)處理電路如圖2，是外部電源與內(nèi)部電路的鏈接部分，它承擔(dān)著減輕外部電源干擾和降低內(nèi)部電源對外的傳導(dǎo)干擾。在這一部分電路設(shè)計要針對性的考慮到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗要求，并作出詳細(xì)的計算以滿足電路設(shè)計要求。以靜電保護電容為例，根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求本設(shè)計所搭載控制器，需要進行最嚴(yán)酷靜電試驗為，帶電25KV[1]。圖2中電容C1、C2：470nF（100V）為ESD保護電容，計算如下：

由以上可知電源接入端口BAT+可以耐受25KV靜電。

其中C1、C2在電路布局時還應(yīng)當(dāng)相對垂直布置，避免由于單方向震動引起電容同時失效而引發(fā)控制器著火。

1.3 變壓器設(shè)計

變壓器是開關(guān)電源最重要的組成部分，它對電源效率和可靠性，以及輸出電源的電氣特性都起到至關(guān)重要的作用。在設(shè)計時需要充分考慮功率容量、工作頻率、輸入輸出電壓等級和變化范圍，鐵芯材料和形狀，繞組繞制方式，散熱條件，工作環(huán)境等綜合因素[3]。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，電源輸出功率Pout為：

原邊峰值電流為

式中Vin（min）為電源輸入最低電壓8V。

Ton取最大值0.5，初級電感量為Lpri：

初級匝數(shù)Npri為：

，取6。

AL為磁芯制造廠提供的一個氣隙長度參數(shù)。這個參數(shù)是在磁芯上繞上1000匝的后的電感數(shù)據(jù)。根據(jù)磁芯生產(chǎn)商提供的磁芯和導(dǎo)線參數(shù)本設(shè)計中AL=10mH/1000，式中Lpri初級電感量單位為mH。

次級匝數(shù)Nsec為：

式?max中為最大占空比（反激式開關(guān)電源50%），VD 為次級整流二極管導(dǎo)通壓降。

2 控制電路

2.1 PWM控制電路

本設(shè)計采用TI公司汽車級芯片LM3478作為開關(guān)電源控制器。LM3478是一個多用途底邊開關(guān)電源NMOS控制器，可用于BOOST，flyback，SEPIC 等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源[4]。

PWM控制電路如圖3所示，圖中引腳8是電源輸入端，芯片為寬電壓輸入，輸入范圍是3-40V，本設(shè)計中連接到電源預(yù)處理的輸出端典型值為13.5V。引腳7連接電源頻率配置電阻，根據(jù)使用手冊提供的工作頻率與阻值關(guān)系，本電源的工作頻率為100KHz，R6配置為200KΩ。引腳2為補償引腳，C6、R7構(gòu)成補償回路為控制電路提供補償。引腳6為輸出端，經(jīng)過一個限流電阻（R4）限流后驅(qū)動功率MOSFET（Q2），為保護MOSFET，在引腳6并聯(lián)一個電阻。

2.2 電壓反饋電路設(shè)計

為了使多路電源輸出一致性更好，和降低負(fù)載對反饋電源的影響。本設(shè)計采用獨立回路進行電壓反饋設(shè)計，反饋回路變壓器繞組匝數(shù)Nfb為：

反饋電路通過外部分壓連接到LM3478的FB引腳與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1.26V進行比較。因為變壓器原邊與輸出回路和反饋回路的繞組匝比固定，所以當(dāng)輸出回路電壓升高，反饋回路的電壓也會升高。反饋回路分壓電阻分壓就會高于1.26V，控制器將關(guān)斷外部NMOS，縮短NMOS導(dǎo)通時間以降低電壓。

2.3 電流反饋控制電路設(shè)計

LM3478電流控制通過在電流環(huán)內(nèi)串聯(lián)電阻的方式，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從控制器引腳ISEN引入控制器內(nèi)部，與LM3478電流控制基準(zhǔn)電壓vsense進行比較，當(dāng)ISEN腳上電壓高于基準(zhǔn)電壓vsense時控制器將關(guān)斷開關(guān)管，起到限流和過流保護作用。

本設(shè)計的最大電流限值為原邊最大電流與原邊電感最大紋波電流之和。對于本設(shè)計原邊最大電流為Ipk。根據(jù)LM3478使用手冊，RSENSE計算如下：

DMAX式中為0.5，vsense、vsL、△vsL可從LM3478 使用手冊中查詢相關(guān)數(shù)值和公式。

3 測試結(jié)果

本設(shè)計集成在IGBT驅(qū)動電路中，在典型電壓值9V、13.5V、18V下分別測試本開關(guān)電源的輕載和滿載（用大電阻模擬負(fù)載）情況下的相關(guān)參數(shù)。表1和表2為典型測試值示例，測試表明電源輸出符合設(shè)計要求。

圖4為輸入13.5V滿載時開關(guān)MOSFET柵源級波形，圖中可以看出滿載情況下占空比小于50%，電路工作在完全能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，滿足設(shè)計要求。圖5為開關(guān)MOSFET漏源電壓，從圖（a）中可以看出在開關(guān)管關(guān)閉、次級線圈電流為零時原邊的電壓在理論上應(yīng)該降為零，實際上卻發(fā)生了震蕩。原因是當(dāng)變壓器釋放完所有能量，電源開關(guān)管的漏源級電壓會降到輸入電壓值的電平上。這一轉(zhuǎn)變激發(fā)了原邊吸收電容與原邊電感的諧振回路，從而產(chǎn)生了一個衰減的振蕩波形，并持續(xù)到開關(guān)管下次導(dǎo)通。這一振蕩波形會影響電路的EMI特性，需要調(diào)整吸收電路電容使振蕩波的頻率低于電源開關(guān)頻率，得到如圖（b）的波形。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的反激式開關(guān)電源，具有體積小、重量輕、輸出電壓紋波小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，本設(shè)計應(yīng)用在基于英飛凌HP2 IGBT驅(qū)動電路中，所搭載控制器通過了DV、PV測試，并成功應(yīng)用于東風(fēng)某ISG車型中。在開關(guān)電源設(shè)計過程中會遇到很多問題，比如變壓器嘯叫、開關(guān)管過熱等，這些問題需在測試過程中不斷總結(jié)和整改，器件參數(shù)也需要在測試過程中不斷調(diào)整，如文中所提到的吸收電路的調(diào)整。同時PCB布局對電源的品質(zhì)和可靠性影響很大，如文中提到的防靜電電容布置。所以在原理設(shè)計完成后要仔細(xì)閱讀相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和芯片PCB Layout指導(dǎo)手冊，以降低不恰當(dāng)?shù)牟及鍖﹄娫丛斐刹焕绊憽?/p>

參考文獻：

[1]EQC-1204-2007 電氣和電子裝置環(huán)境的基本技術(shù)規(guī)范電氣特性， 2007.

[2]王志強.開關(guān)電源設(shè)計第二版[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2005.

[3]徐德鴻.開關(guān)電源設(shè)計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2004.

[4]LM347X/Q1 High-Efficiency Low-Side N-Channel Controller for Switching Regulator.

[5]楊永清.基于UC3844的單端反激開關(guān)電源設(shè)計[J]. 移動電源與車輛， 2009.