車用電機(jī)控制器IGBT驅(qū)動(dòng)板隔離電源優(yōu)化設(shè)計(jì)*

周雅夫，侯克晗，連靜

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車用電機(jī)控制器IGBT驅(qū)動(dòng)板隔離電源優(yōu)化設(shè)計(jì)*

周雅夫，侯克晗，連靜

（大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院 遼寧省節(jié)能與新能源汽車動(dòng)力控制與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

反激式開關(guān)電源因其高效率、低發(fā)熱、小體積的優(yōu)點(diǎn)以及初級(jí)次級(jí)隔離的特點(diǎn)非常適合于新能源汽車電機(jī)控制器IGBT驅(qū)動(dòng)板隔離電源應(yīng)用。針對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，采用UC2845B控制器設(shè)計(jì)該反激式開關(guān)電源電路參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行詳盡的分析與優(yōu)化。在Pspice仿真軟件下搭建了電路仿真模型，并在交替變化的輸入電壓下，對(duì)電源的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。按照英飛凌新一代HybridPACK? Drive IGBT封裝制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)中得到了穩(wěn)定的直流電壓，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。

開關(guān)電源；反激式；UC2845B；Pspice仿真

前言

在經(jīng)歷了十余年的高速發(fā)展，我國的新能源汽車行業(yè)取得了輝煌的發(fā)展成就，新能源汽車的普及以及市場(chǎng)占有率，都大幅度領(lǐng)先于國際水平。但在電機(jī)控制器等新能源汽車關(guān)鍵零部件上，我國各汽車企業(yè)依然受制于國外零部件供應(yīng)商。重點(diǎn)研發(fā)新能源汽車相關(guān)關(guān)鍵零部件已經(jīng)成為我國零部件企業(yè)在“十三五”期間的重要任務(wù)，同時(shí)這也是制約我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。新能源汽車電機(jī)控制器（MCU）主要由邏輯板、IGBT及其驅(qū)動(dòng)板兩大部分組成，而IGBT驅(qū)動(dòng)板隔離電源（以下簡稱驅(qū)動(dòng)電源）則是IGBT驅(qū)動(dòng)板中保障IGBT穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵組件之一，對(duì)其的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究有著很重要的意義。

IGBT驅(qū)動(dòng)電源一般都采用隔離型開關(guān)電源。開關(guān)電源是建立在平均化基礎(chǔ)理論上，通過改變開關(guān)管占空比從而控制輸出電壓達(dá)到期望值的一種DC-DC變換電源。相比于線性穩(wěn)壓器，它具有極高的效率（可達(dá)90%以上）[1]以及較小的體積。采用小體積的高頻變壓器可以很好的解決IGBT上下橋臂間的電壓浮動(dòng)問題，非常適合用于要求結(jié)構(gòu)緊湊與高效率的新能源汽車電機(jī)控制器上。

本文則以英飛凌新一代HybridPACK? Drive IGBT為應(yīng)用目標(biāo)，采用隔離型反激變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于成本考慮，采用UC2845B電流模式PWM控制芯片，針對(duì)穩(wěn)定性問題，對(duì)變換器各組件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在Pspice軟件下搭建仿真模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于UC2845B車用IGBT驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

1.1 反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理

反激變換器是一種非常實(shí)用的電源拓?fù)?，主要由開關(guān)管、高頻變壓器、輸出二極管、輸出濾波電容以及脈寬調(diào)制器等組成，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。相比其他使用變壓器的電源拓?fù)?，反激變換器的變壓器同名端接法相反，在工作的時(shí)候其功能更加接近電感原件，初級(jí)與次級(jí)的安匝比守恒，而不是電壓比守恒。

圖1 反激變換器基本結(jié)構(gòu)

反激變換器的基本工作原理如下：開關(guān)管導(dǎo)通，二極管由于變壓器次級(jí)同名端反接，處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載的電流由電容提供。此時(shí)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感，流過初級(jí)線圈的電流直線上升，能量存儲(chǔ)于初級(jí)線圈中。在開關(guān)管斷開時(shí)，輸出二極管導(dǎo)通，初級(jí)線圈中存儲(chǔ)的能量傳遞到次級(jí)線圈中，給負(fù)載供電同時(shí)給輸出電容充電[2-5]。工作時(shí)初級(jí)與次級(jí)線圈中的電流狀態(tài)見圖2，圖中p為初級(jí)電流，s為次級(jí)電流。

圖2 反激變換器基本工作狀態(tài)

1.2 UC2845B周邊電路參數(shù)設(shè)計(jì)

圖3為UC2845B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與典型應(yīng)用圖，其內(nèi)部提供了欠壓鎖定器、可編程振蕩器、誤差放大器、電流模式的PWM比較器以及大電流圖騰柱式N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)⑤敵龅淖畲笳伎毡孺i定在50%，保證整個(gè)開關(guān)電源工作在不連續(xù)模式下，以減小所需的高頻變壓器電感值，從而進(jìn)一步的減小變壓器體積，總而言之是一款很適合本應(yīng)用的PWM控制器。

圖3 UC2845B典型應(yīng)用電路

英飛凌HybridPACK? Drive IGBT的單個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)功率大致為1.5W，因此驅(qū)動(dòng)半橋的功率在3W左右。為穩(wěn)定可靠地完成IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，需要提供+15/-8V驅(qū)動(dòng)電壓，即開關(guān)電源需要提供23V的輸出電壓，本文在乘用車12V電壓標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行IGBT設(shè)計(jì)。按照80%的功率進(jìn)行計(jì)算，變壓器初級(jí)功率可定為4W。按式（1）計(jì)算開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間onmax為20μs。留保一定的裕量取PWM最大占空比為45%，確定開關(guān)頻率為20kHz。

式中onmax為開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間；為開關(guān)的周期；o為輸出電壓；p為初級(jí)匝數(shù)；sm為次級(jí)匝數(shù)；dcmin為輸入電源的最小電壓。

按照式（2）確定初級(jí)電感為110μH，則次級(jí)電感為668μH。

式中p為初級(jí)電感；o為輸出功率。

依照式（3）計(jì)算初級(jí)最大電流為2.5A，故而選取s為0.4 ?。

式中p為初級(jí)最大電流。

圖1中T與T是用來對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行編程，其關(guān)系如式（4），設(shè)定20kHz左右的開關(guān)頻率，并考慮到可用電阻，T取5 k?，T取10nF。

式中osc為開關(guān)頻率；T為編程電阻的阻值；T為編程電容的容值。

1.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

由于IGBT驅(qū)動(dòng)電源一般集成與IGBT驅(qū)動(dòng)板中使用，其輸出過壓、欠壓以及短路狀態(tài)可以由IGBT驅(qū)動(dòng)芯片的故障反饋得到，經(jīng)由控制模塊處理后斷開電源。故此部分電路可以不用考慮，僅需要考慮反饋回路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，UC2845B本身提供的誤差放大器，在電流模式下可以使用如圖4所示的簡化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的配置可以非常方便的完成。

圖4 電流式誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計(jì)算需要與系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)合進(jìn)行。為使系統(tǒng)保持穩(wěn)定而不發(fā)生震蕩，需要系統(tǒng)滿足在穿越頻率處即零點(diǎn)處的總開環(huán)相移要小于315°（包括45°的相位裕量），系統(tǒng)的總開環(huán)增益在過零點(diǎn)處的增益（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）的斜率為-1。進(jìn)行穩(wěn)定性分析主要是基于以上兩條準(zhǔn)則，圖4是反激變換器反饋回路的示意圖，可以將整個(gè)回路拆分為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和從誤差放大器輸出ea到輸出端的輸出o兩個(gè)部分，保證兩部分增益和（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）的斜率為-1，再校驗(yàn)此時(shí)的相移即可完成穩(wěn)定性分析，得到補(bǔ)償回路的參數(shù)。

圖5 反激變換器反饋回路示意圖

根據(jù)能量守恒原理，初級(jí)的能量與次級(jí)的能量可得：

式中為負(fù)載阻抗。

由圖3可知，誤差放大器的輸出經(jīng)過兩只二極管與一組2:1比例的分壓電阻后到達(dá)電流檢測(cè)比較器，一旦電流檢測(cè)電阻上的電壓超過該電壓，UC2845B就會(huì)關(guān)閉開關(guān)管，限制初級(jí)最大電流，所以初級(jí)電流、誤差放大器輸出與電流采樣電阻間滿足式（6）關(guān)系：

式中ea為誤差放大器輸出值；s為電流采樣電阻阻值；

式中的1.4V為兩只二極管的壓降，可以理解為對(duì)誤差放大器輸出電壓的偏置，不會(huì)對(duì)增益產(chǎn)生影響，故而可以忽略：

將式（7）帶入式（5）可得從誤差放大器到的輸出端到輸出電壓的低頻增益為：

其傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中p為傳遞函數(shù)極點(diǎn)頻率；z為傳遞函數(shù)零點(diǎn)頻率；c為輸出濾波電容等效串聯(lián)電阻值；o為輸出濾波電容容值。

利用以上參數(shù)可以繪制穩(wěn)定反饋回路的增益曲線，圖4中ABCD則是從誤差放大器到的輸出端到輸出電壓的增益曲線。根據(jù)采樣定理，選取穿越頻率為1/5開關(guān)頻率即4kHz（圖中P0），依照系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則繪制補(bǔ)償回路的增益曲線（圖中P4P3P2P5），在對(duì)其相移進(jìn)行校核，可計(jì)算系統(tǒng)在穿越頻率4kHz處的總相移為289.1°完全滿足要求?？梢匀?=10k ?，=402k ?，1=200nF。

圖6 反饋回路的增益曲線

2 車用IGBT驅(qū)動(dòng)電源Pspice仿真

Pspice是由Spice(Simulation Program with Integrated Cir -cuit Emphasis)發(fā)展而來的用于微機(jī)系列的通用電路分析仿真程序。

圖7 Pspice仿真模型

Pspice軟件采用圖形化的操作界面，能完成電路的自動(dòng)檢查，不僅可以用于電路原理的設(shè)計(jì)、仿真、分析和優(yōu)化，還能夠與與Allegro PCB設(shè)計(jì)軟件無縫銜接，可完成電子產(chǎn)品從原理設(shè)計(jì)、電路仿真到印刷電路板的完全自動(dòng)化，是最優(yōu)秀的通用電路仿真軟件之一。

圖8 輸入電壓波形

圖9 輸出電壓波形

在Pspice中搭建仿真模型如圖7所示，模型中包括UC2845B模型、開關(guān)管模型，以及變壓器模型，為模擬直流輸入電壓的波動(dòng)，而12V車用系統(tǒng)的電壓范圍是9~16V，適當(dāng)放寬一些，將輸入電壓設(shè)定為如圖8所示的8~20V，50Hz的正弦型電壓。輸出電壓波形如圖9所示，可以觀察到電壓穩(wěn)定在24V上，滿足使用要求。

3 實(shí)驗(yàn)

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

按照HybridPACK? Drive IGBT的封裝尺寸，以外置模塊的安裝方式設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（見圖10），并在12V系統(tǒng)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖11，輸出的直流電壓穩(wěn)定，幅值為24V與仿真相符。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了反激變換器基本結(jié)構(gòu)，基于UC2845B，以車用IGBT驅(qū)動(dòng)電源為應(yīng)用目標(biāo)，針對(duì)穩(wěn)定性問題，對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析，在Pspice仿真軟件中搭建了仿真模型并進(jìn)行了仿真，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并在12V系統(tǒng)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，方針和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了所設(shè)計(jì)電源的穩(wěn)定性能夠達(dá)到要求。

[1] 尹瓏翔,韋雪明,羅和平,蔣麗.一種基于LC振蕩器的高效隔離式DC-DC開關(guān)電源[J].微電子學(xué),2018,48(06):733-737.

[2] 盧小強(qiáng),宋昊杰.開關(guān)電源的原理與特點(diǎn)分析[J].集成電路應(yīng)用,2017,34(12):81-82.

[3] 劉俊良,章治國,徐洋.基于MP3213芯片的微型開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2017(12):18-20+33.

[4] 張?jiān)谟?譚小燕,趙永瑞,曲韓賓,師翔.一種用于DC-DC開關(guān)電源芯片的新型軟啟動(dòng)電路[J].半導(dǎo)體技術(shù),2018,43(02):110-114.

[5] 王思聰.開關(guān)電源的基本原理與技術(shù)發(fā)展綜述[J].價(jià)值工程,2018, 37(14):269-271.

Design of Automotive IGBT drive power supply*

Zhou Yafu, Hou Kehan, Lian Jing

( Key Laboratory of Power Control & Manufacturing Technology for New Energy Vehicles, Liaoning Province, School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024 )

Fly-back switching power supplies are well suited for new energy vehicle IGBT drive power applications due to their high efficiency, low heat generation, small size and primary secondary isolation. According to the stability problem of the power system, the circuit parameters of the flyback switching power supply are designed by UC2845B controller, and the stability of the system is analyzed and optimized according to the system stability criterion. The circuit simulation model was built under the Pspice simulation software, and the stability of the power supply was simulated under the alternating input voltage. The prototype was fabricated according to Infineon's new HybridPACKTM Drive IGBT package, and a stable DC voltage was obtained in the experiment to verify the stability of the designed drive power.

Switching power supplies;Fly-back;UC2845B;Pspice simulation

U463.6

A

1671-7988(2019)09-87-04

U463.6

A

1671-7988(2019)09-87-04

周雅夫，碩士，教授，大連理工大學(xué)，研究方向?yàn)槠囯娮优c控制。

大連市科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2018J12GX 061）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51775082，No.61473057）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（No.DUT17LAB11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.029