分立器件電機控制器功率單元設(shè)計與實現(xiàn)

鐘華 劉志強 宋佳茵 趙慧超

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：電機控制器 并聯(lián)均流 大功率散熱 分立器件

縮略語

NEV New Energy Vehicle

IPU Intelligent Power Unit

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

PWM Pulse Width Modulation

PCB Printed Circuit Board

TVS Transient Voltage Suppressor

GTO Gate Turn-Off Thyristor

GTR Giant Transistor

1 前言

為應(yīng)對新的排放法規(guī)，越來越多的汽車廠與零配件公司開始深入研究純電動和混合動力技術(shù)。電機系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，其中，電機控制器的實現(xiàn)方式有多種多樣，按功率器件類型可分為模塊式電機控制器系統(tǒng)和分立器件式電機控制器系統(tǒng)。模塊式系統(tǒng)由于其實現(xiàn)方式簡單，多為整車廠初期產(chǎn)品使用。

分立器件電機控制器采用多功率器件并聯(lián)方案來代替功率模塊方案，主要優(yōu)點是成本可控、系統(tǒng)集成度高、器件資源豐富、性能拓展性強。分立器系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問題為多功率器件并聯(lián)均流問題、大電流的承載問題和大功率的散熱問題。本文基于分立器件設(shè)計實現(xiàn)了一種電機控制器功率單元，解決了上述主要問題，并且系統(tǒng)方便安裝，成本低，可應(yīng)用到新能源整車系統(tǒng)中。

2 功率單元設(shè)計

功率單元是電機控制器的核心單元，是電驅(qū)系統(tǒng)的心臟，影響整個電驅(qū)系統(tǒng)的性能，進而影響整車性能。功率單元主要包括功率開關(guān)器件、驅(qū)動單元、母線電容、必要的正負(fù)輸入與三相輸出銅排、電磁兼容元件、泄放電阻，如圖1所示。

圖1 逆變器IPU硬件拓?fù)鋱D

圖1 中，1 為功率開關(guān)器件、2 為驅(qū)動單元、3 為直流母線電容、4為泄放電阻、5為電磁兼容元器件。

分立器件電機控制器的功率開關(guān)器件是由多個分立的開關(guān)器件并聯(lián)得到的，根據(jù)系統(tǒng)的電流等級和單個分立器件的電流等級，可以采用2～6個或者更多個分立器件并聯(lián)，多于6個的分立器件并聯(lián)在成本上和寄生參數(shù)優(yōu)化上不占優(yōu)勢，不推薦采用。并聯(lián)功率器件數(shù)量無論多少，并聯(lián)的實施方案基本是一樣的，工程師可通過并聯(lián)功率器件數(shù)量的增加來實現(xiàn)系統(tǒng)性能的擴充，便于成本控制。

多功率器件并聯(lián)方案的實現(xiàn)形式是多樣化的。姜桂賓提出的方案1[1]是多貼片式功率器件并聯(lián)布置在鋁基板上，形成功率變換主電路的電機控制器，該類電機控制器的鋁基板單面布板，無法走多層信號線，一般只布置功率器件，功率器件散熱器布置在鋁基板反面?zhèn)?，該方案一方面不利于功率器件的迅速散熱，另一方面電機控制器的集成度也不高。郭曉穎等提出的方案2[2]是多個直插功率開關(guān)器件并聯(lián)布置在普通電路板上，雖使用直插器件，但散熱方式和布置方式與貼片器件相同，依然沒有有效解決散熱和空間上存在的問題。姜桂賓提出的方案3[3]是直插功率開關(guān)器件并聯(lián)布置在電路板上，結(jié)構(gòu)上充分利用了空間資源，節(jié)省了電路板的尺寸，這種結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)水冷形式，不利于較大功率控制器的實現(xiàn)，因為太多個功率開關(guān)器件并聯(lián)使用多個夾具固定太過復(fù)雜，不利于安裝實現(xiàn)。

本文針對目前多功率器件并聯(lián)電機控制器方案存在的不足，設(shè)計實現(xiàn)了一種并聯(lián)均流效果好、散熱好、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、便于安裝實現(xiàn)、成本低的新能源汽車用電機控制器功率單元。

2.1 功率單元并聯(lián)均流設(shè)計

2.1.1 器件選型與原理設(shè)計

功率器件均流特性分為靜態(tài)均流特性和動態(tài)均流特性[4]。靜態(tài)電流特性主要受導(dǎo)通電阻影響，導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這對器件并聯(lián)時的均流是有利的，隨著溫度升高，阻值是變大的。具有正溫度系數(shù)的功率器件并聯(lián)工作是能夠自然均流，如大多數(shù)的MOSFET 和IGBT 都具有正溫度系數(shù)。雖然功率器件可實現(xiàn)自均流現(xiàn)象，但當(dāng)并聯(lián)功率器件參數(shù)相差較大時，會造成管芯溫差過大和非預(yù)期的不均流，從而造成器件損壞。動態(tài)電流特性的影響因素包括器件自身參數(shù)、柵極驅(qū)動電阻、功率回路中寄生電感。由于功率器件自身參數(shù)與器件選擇有關(guān)，與應(yīng)用設(shè)計關(guān)系較小，因此，本文的動態(tài)均流因素只考慮柵極驅(qū)動電阻的匹配以及回路中的寄生電感。

靜態(tài)均流特性主要受功率器件本身參數(shù)如導(dǎo)通電阻 RDS（ON）或?qū)妷篤ce（sat）、柵極開啟電壓Vth等差異性的影響。該項差異可以通過分立器件在二次模組封裝前進行分立器件的篩選，將差異性較小的功率器件放在一組進行并聯(lián)。器件篩選工作可以通過以下3種方式進行。

（1）器件數(shù)量大批量生產(chǎn)時可以與芯片廠協(xié)同篩選，芯片出廠前通過芯片在晶圓的物理位置進行篩選，這種篩選方式一般是需支付額外費用和增加設(shè)備投資。

（2）器件數(shù)量為小批量時可以委托給第三方檢測機構(gòu)逐項篩選。

（3）器件數(shù)量較少時可通過靜態(tài)分析儀等測試設(shè)備，結(jié)合特定夾具進行篩選。

器件篩選工作涉及到一些成本和工時的投入，也可以通過器件降額的方式保證多器件并聯(lián)均流，并聯(lián)數(shù)量越多，降額幅度需要越大，具體降額的數(shù)值需要通過仿具和試驗得到。

對動態(tài)特性均流因素本文只考慮柵極驅(qū)動電阻的匹配以及回路中的寄生電感。

回路中寄生電感的差異主要是由于功率器件布極所處位置差異導(dǎo)致的，為了減少動態(tài)均流的不平衡，發(fā)射極側(cè)的接線盡可能短且均勻等長，也可以通過均流電阻進行調(diào)整[5-6]。均流電阻的連接如圖2 所示，均流電阻串聯(lián)在功率器件的發(fā)射極端。發(fā)射極電阻比集電極電阻的影響更大，因此這里省略了集電極電阻。發(fā)射極電阻很大程度保證多器件并聯(lián)的均流性，提升系統(tǒng)輸出性能。

圖2 發(fā)射極側(cè)均流電阻電路

動態(tài)特性均流因素也可以考慮通過柵極驅(qū)動電阻的匹配進行優(yōu)化。在圖2發(fā)射極側(cè)均流電阻電路的基礎(chǔ)上增加?xùn)艠O驅(qū)動電阻調(diào)節(jié)，電路圖如圖3 所示，R3 和R4 為柵極均流電阻，通過均流電阻的調(diào)節(jié)去減少器件并聯(lián)的不均流度。Q1和Q2是2個功率器件并聯(lián)電路的示意圖，同樣的方法可得到更多個功率器件并聯(lián)電路。

圖3 柵極側(cè)均流電阻電路

除了均流電阻的使用，也建議在功率器件附近增加相關(guān)的保護電路，如圖4所示。

圖4 功率器件保護電路

圖4 中電阻R5 為柵極和源極間結(jié)電容電荷提供放電通道，防止因電荷積累而導(dǎo)致管子誤導(dǎo)通，起到掉電保護作用，也可防止靜電擊穿功率器件。TVS管D1 用于鉗位功率MOSFET 柵極和源極間電壓Vgs 不超過安全工作電壓。C1為防柵極振蕩電容，可以吸收一定的振蕩和浪涌電壓，降低損耗。C2 為緩沖電容，可以吸收回路中雜散電感產(chǎn)生的尖峰電壓。

2.1.2 PCB設(shè)計

如前文所述，動態(tài)特性均流因素受回路中的寄生電感影響。為了減少這種影響，發(fā)射極側(cè)的接線盡可能短且均勻等長。因此，PCB布局時需要注意將并聯(lián)功率器件相互靠近，并均勻分布在散熱器水道上，使寄生參數(shù)接近，且散熱條件相同，從而保證并聯(lián)功率器件之間自動均流能力。功率器件并聯(lián)電路的PCB圖如圖5所示。

圖5 功率器件并聯(lián)電路PCB

2.2 功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 功率單元布置結(jié)構(gòu)

車用大功率逆變器功率單元主要由母線電容、功率開關(guān)器件、母排、電流傳感器以及必要的吸收回路組成。本文功率開關(guān)器件采用分立器件，使用普通電路板承載。將多個分立式直插功率開關(guān)器件分別焊接在兩個電路板上，使得功率開關(guān)器件占用的面積小且功率密度大，同時利用支架和夾緊裝置將直插功率開關(guān)器件分層固定在散熱器上，較一般的布置能夠更好利用逆變器空間體積，更節(jié)省空間，同時增強了散熱能力，而且該散熱器采用通過管道連接的散熱片的形式，可以實現(xiàn)風(fēng)冷和水冷的冷卻方式，可擴展性好，能夠大大的提高功率開關(guān)器件電機控制器的功率密度，在整車布置的靈活性大幅提高。功率單元的布置結(jié)構(gòu)參考圖6。示意圖中的上下兩塊電路板承載著所有功率器件，包擴多分立器的功率開關(guān)、多分立的直流母線電容、電流傳感器、吸收回路以及直流與交流母排。直流與交流母排采用波峰焊接形式，焊接在功率電路板上，方便后期裝配。

圖6 功率單元安裝示意

使用電熱仿真軟件對正負(fù)母排和交流母排在持續(xù)工況和峰值工況下分別進行母排熱仿真分析。仿真環(huán)境溫度85 ℃，流過持續(xù)電流直至熱穩(wěn)態(tài)，記錄母排穩(wěn)態(tài)溫升與形變情況，仿真結(jié)果如圖7。仿真結(jié)果表明交流母排在持續(xù)電流工況下，溫度最高126 ℃（小于母排的設(shè)計目標(biāo)溫度130 ℃)，此溫度不影響電路板與功率器件熱性能，仿真驗證通過。直流母排持續(xù)電流較交流母排小，但母排截面相同，仿真溫度低于126 ℃，滿足設(shè)計需求。

圖7 交流母排熱仿真結(jié)果

2.2.2 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

車用大功率逆變器一般采用水冷散熱，強制風(fēng)冷一般無法滿足系統(tǒng)要求。本文設(shè)計了一種水冷的散熱方案，功率單元與散熱器的安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，即功率單元分為上下兩塊電路板，功率器件直插焊接在兩塊電路板上，功率器件的散熱面通過導(dǎo)熱絕緣墊片與冷卻器接觸，使用壓緊彈片保證器件可靠散熱。功率器件與散熱器的布置方式如圖8所示。

功率器件內(nèi)部的芯片的散熱路徑如圖9 所示，功率器件與冷卻器之間放置導(dǎo)熱絕緣墊片。功率器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫和第一段熱阻Rth（jc）可以通過分立器件手冊查到。第二段熱阻Rth（ch）可以通過導(dǎo)熱絕緣墊片手冊查到。第三段熱阻Rth（ha）可以通過散熱器材料分析計算得到。通過估算功率器件系統(tǒng)的散熱量便可以得到最終芯片的結(jié)溫，若計算得到的結(jié)溫小于功率器件本身芯片的結(jié)溫，那么設(shè)計是合理的。

圖8 功率器件與冷卻器的布置示意

圖9 功率器件內(nèi)部的芯片的散熱路徑示意

功率器件的功率損耗一般主要包括器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗和驅(qū)動損耗4個部分[7]。

(1)功率器件的通態(tài)損耗

功率器件在周期性的開通關(guān)斷過程中，處于開通狀態(tài)時的功率損耗。當(dāng)開關(guān)器件輸出占空比（PWM）為δ的電流脈沖時,其平均通態(tài)損耗可以按式（1）表示。

式中,IDS為脈沖電流幅值;UON為開關(guān)器件通態(tài)壓降;δ為輸出波形占空比。

若功率器件為MOSFET，則多是在數(shù)據(jù)手冊中給出器件的通態(tài)電阻而不是通態(tài)壓降。因此通態(tài)PC損耗往往由公式(1)變形為由公式（2）計算得到。

式中,IDS為脈沖電流幅值;RDS為開關(guān)器件通態(tài)電阻;δ為輸出波形占空比。

(2)功率器件的開關(guān)損耗

功率器件開關(guān)損耗包括了開通損耗和關(guān)斷損耗。開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。因此產(chǎn)生較大的損耗,而且開關(guān)損耗的大小在很多情況下占有了器件總的功率損耗的相當(dāng)大比重,甚至是主要部分,尤其是當(dāng)器件處于高頻工作情形下。

功率器件的開關(guān)損耗與負(fù)載的特性有關(guān),一般簡化為感性負(fù)載和阻性負(fù)載，采用這2種情況來計算開關(guān)損耗。下面為硬開關(guān)條件下2種情形的開關(guān)損耗的計算公式,見式(3)和式(4)。

式中,US為斷態(tài)電壓值;IM為通態(tài)電流值;f為開關(guān)頻率值;ton為開通時間;toff為關(guān)斷時間。

(3)功率器件的斷態(tài)漏電流損耗

一般情況下，MOSFET 器件處于關(guān)斷狀態(tài)時的集電極(漏極)漏電流十分微小,可認(rèn)為器件無損耗,但在斷態(tài)電壓US很高的情況下,則微小的漏電流ICO仍可能產(chǎn)生較為顯著的斷態(tài)功率損耗PCO，見式（5）。

式中,ICO為功率器件斷態(tài)漏電流;US為斷態(tài)電壓;δ為功率器件輸出電流波形占空比。

(4)功率器件的驅(qū)動損耗

功率器件在開關(guān)過程中消耗在驅(qū)動控制板上的功率以及在導(dǎo)通狀態(tài)時維持一定的柵極電壓、電流所消耗的功率稱為開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。一般情況下,這部分的功率損耗與器件的其他部分損耗相比可以忽略不計,但對于GTO、GTR這類通態(tài)電流比較大的功率器件則需要特殊考慮。

(5)總功率損耗

總功率損耗為通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗及驅(qū)動損耗之和。

經(jīng)過公式計算，本文設(shè)計方案功率器件的單個橋臂總損耗為210 W。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，同時基于熱阻計算公式[6]，可得整個傳熱過程總熱阻約為0.35 ℃/W。因此，計算得MOSFET 芯片溫度為138.5 ℃，小于芯片的結(jié)溫175 ℃，滿足設(shè)計需求。

3 驅(qū)動單元設(shè)計

驅(qū)動單元是指包含驅(qū)動電路，并和IGBT 模塊配套使用的硬件電路板。一般包括電源電路、檢測電路、保護電路和驅(qū)動電路。驅(qū)動電路負(fù)責(zé)將驅(qū)動信號功率放大，保證模塊正常的、可靠的開關(guān)動作，驅(qū)動電路包括驅(qū)動IC、驅(qū)動電阻、推挽電路。

3.1 電源電路設(shè)計

3.1.1 驅(qū)動電源設(shè)計

驅(qū)動電源提供功率模塊開關(guān)行為所需的工作電壓，保證模塊正常的、可靠的開關(guān)動作。本設(shè)計采用的驅(qū)動芯片自帶電源管理能力，外圍電路需要配合功率MOS和變壓器，原理如圖10所示。

圖10 驅(qū)動電源電路示意

Avago 驅(qū)動芯片ACFH-3548T 自帶電源管理功能，輸入電壓為8～18 V，可以輸出+14.5～17.5 V穩(wěn)定的閉環(huán)電壓和一個-10～0.5 V負(fù)電壓，這里通過-8 V穩(wěn)壓管串聯(lián)電阻得到+15 V和-8 V 2個驅(qū)動電源。輸出端有電源支撐電容，保證電壓平穩(wěn)性。

3.1.2 數(shù)字5 V電源

數(shù)字5 V 電源用于控制信號反饋、主芯片供電和一些采樣電路。數(shù)字5 V的輸入為8～18 V，由于數(shù)字5 V 電源電流能力需求不高，選擇電源芯片為TLE4295，電流能力為30 mA，滿足使用要求，電路見圖11。

圖11 數(shù)字5 V電源電路示意

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路圍繞驅(qū)動芯片展開，Avago ACFH-3548T輸出電流峰值為2.5 A，可通過增加推挽電路增加驅(qū)動輸出電流能力，電路如圖12所示。為了保證功率器件的可靠開關(guān)，可增加設(shè)計柵極過壓保護、有源鉗位、退飽和保護等保護電路。

圖12 驅(qū)動電路示意

3.3 信號檢測電路設(shè)計

一般的功率模塊內(nèi)部是集成溫度傳感器的，分立器件一般不會在內(nèi)部集成傳感器。

分立器件功率單元需要在器件外部增加溫度傳感器，溫度傳感器放置的位置靠經(jīng)驗評估，也需后期根據(jù)試驗進行標(biāo)定校核，以保證測溫的準(zhǔn)確性。一般外置的溫度傳感器會使用熱敏電阻，熱敏電阻需要一些外圍電路供電、同時需要電阻進行分壓，采集溫度信號反饋給控制單元，電路如圖13所示。

圖13 功率器件溫度檢測電路

4 設(shè)計驗證

本文設(shè)計的分立器件逆變器功率單元通過試制實現(xiàn)，功能樣機如圖14所示，裝配合理，工藝簡單。

圖14 分立器件逆變器功能樣機

功能樣機最終通過功率單元動態(tài)特性分析，雙脈波形如圖15所示，雙脈沖波形正常，無特殊振動。同時對功率單元進行了短路試驗，驗證了驅(qū)動單元短路功能的有效性。

圖15 逆變器功率單元動態(tài)特性輸出波形

5 結(jié)束語

分立器件的應(yīng)用一定程度上可以解決器件資源、成本、空間的問題。本文設(shè)計了一種分立器件電機控制器功率單元，主要針對功率主回路的設(shè)計，包括多功率器件并聯(lián)均流、大電流承載和大功率器件散熱問題。最終通過方案實現(xiàn)與試驗驗證了方案的可行性。