驅(qū)動電機(jī)控制器IGBT驅(qū)動電源設(shè)計與驗證

陳茜兵 王瑛 程仁恒 陳龍崗 徐禹翔

關(guān)鍵詞：升降壓變換器;反激;反激變壓器;IGBT;脈寬調(diào)制

電機(jī)控制器是新能源汽車電控產(chǎn)品中一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其產(chǎn)品價值量較大，涉及的領(lǐng)域較多，有電力電子、微電子、控制理論及電磁兼容（electromagneticcompatibility，EMC）、電氣安全等，其中涉及到的信號控制交互有電源信號、模擬量和數(shù)字量信號采集、控制反饋、使能的控制和驅(qū)動，涉及到高壓達(dá)到幾百V，低壓幾V甚至更低，然而，在整個系統(tǒng)中兼顧高低壓同時存在控制輸入和輸出均需要處理，這個系統(tǒng)在電機(jī)控制器里面就是絕緣柵雙極型晶體管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT）驅(qū)動電源的供電驅(qū)動電路，目前，在電機(jī)控制器中由于涉及到驅(qū)動IGBT的電源應(yīng)用絕大部分都是反激（flyback）電路系統(tǒng)，升降壓變換器（buckboost）拓?fù)溲葑兌鴣?，因為其輸出與輸入的關(guān)系，也稱作反激電路，這個變壓器也稱為反激變壓器，同時也因為其功率整體較小，一般15W左右，作為系統(tǒng)的一部分，去除變壓器后，將其電路單端初級電感式轉(zhuǎn)換器（singleendedprimaryinductorconverter，SEPIC）拓?fù)鋺?yīng)用在電機(jī)控制器的DC-DC電路中，給系統(tǒng)低壓供電，這個電路輸入9-16V，輸出12V，究其原因，主要還是變壓器的功率設(shè)計和功耗及結(jié)構(gòu)的制約，上述電路在整體上大部分相同或相似但卻無法實現(xiàn)功能的同時還可以實現(xiàn)輸入和輸出的隔離及經(jīng)濟(jì)性和可靠性。為了更好地將Flyback電路應(yīng)用在新能源汽車驅(qū)動IGBT上，先概述下buck電路，也就是降壓電路，這個相對于boost升壓電路，參考如下圖2，電源電路中，通常都是需要電感、NMOSFET及二極管、電容，再加上一些輔助電阻或光耦電路來完成，實現(xiàn)整個的電壓轉(zhuǎn)換DC-DC。另外，如下圖1，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，還需要一個最為重要的控制反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)PWM輸出控制，相對于新能源汽車中OBC的PFC電路不同，這個PWM通常是一個具有電流型PWM芯片來完成，具備每個周期調(diào)節(jié)及過閾值保護(hù)功能，無需要再通過專用額外的DSP芯片來實現(xiàn)控制，目前這樣的控制芯片，各大主流芯片廠家都有，如TI的UC3844、UC3846等，LinearTech推出的LTC1871等都是非常卓越的芯片，這類是已經(jīng)根據(jù)負(fù)載調(diào)整其占空比及電流反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)負(fù)載端反饋同時實現(xiàn)原有的電壓反饋，本文是基于反激電源原理LTC1871設(shè)計一個IGBT驅(qū)動電源電路系統(tǒng)。

1方案控制設(shè)計

如下圖1，本方案是基于LTC1871電流型PWM芯片為核心建立一個雙閉環(huán)穩(wěn)定的一階系統(tǒng)，通過對輸出電壓反饋應(yīng)用的控制，可以實現(xiàn)在輸入直流電壓波動的情況下，通常波動范圍在9-16V，對IGBT驅(qū)動芯片的供電進(jìn)行控制及調(diào)節(jié)監(jiān)控使得其在不同負(fù)載狀態(tài)下，如空載、輕載和滿載均能可靠輸出驅(qū)動，保證電機(jī)控制器供電安全，尤其是在IGBT開關(guān)控制和導(dǎo)通時能保證平穩(wěn)工作，實現(xiàn)IGBT驅(qū)動供電在正電壓、零電壓、負(fù)電壓下可以全時序工作，驅(qū)動電源通常的電壓典型值有+15V、0V、-8V等值。

電流及電壓控制系統(tǒng)遵循如下圖1的傳輸控制，輸入電壓、算法計算、PI調(diào)節(jié)控制、PWM生成控制、電流芯片輸出、NMOSFET驅(qū)動及電流采集檢測、轉(zhuǎn)換反饋，輸出電壓反饋給輸入電壓回路再進(jìn)行誤差比較達(dá)到輸出穩(wěn)定。

上述圖1的系統(tǒng)原理用電路拓?fù)淇杀硎境扇缦聢D2的拓?fù)浠咀儞Q：輸入電壓經(jīng)過Q2004，為開關(guān)控制功率器件NMOSFET管，其耐壓、導(dǎo)通、輸出電流需要承擔(dān)一定負(fù)載及帶載切換能力，如導(dǎo)通關(guān)斷應(yīng)力等，NMOSFET的G極控制信號為PWM信號，其電平幅值約1～4VPWM高頻信號，頻率可達(dá)80～150kHz，占空比0～95%，實際考慮到諧波因素等，通常控制在50%左右，根據(jù)配置電流芯片控制需求，輸出檢流電阻，輸出儲能電感，導(dǎo)通時充電，關(guān)斷時放電及輸出濾波功能。續(xù)流二極管在其導(dǎo)通時，LC形成回路并對DC輸出形成濾波。根據(jù)輸出電感結(jié)構(gòu)重組，調(diào)整電路信號二極管方向和GND，變成似共模線圈、共模電感結(jié)構(gòu)，并將輸入輸出斷開做成繞組變壓器結(jié)構(gòu)，這個結(jié)果就從電感變化成變壓器，通過繞組的裂變實現(xiàn)電壓的遷移轉(zhuǎn)化實現(xiàn)本方案的LTC1871拓?fù)潋?qū)動電源。

當(dāng)NMOSFET導(dǎo)通，變壓器的副邊輸出二極管關(guān)斷，需要承受電壓為如下：根據(jù)電路分析有：Vin=VL（t），V（t）=-ic（t）xR，V（t）=+15v，時間=dts，通常Vin典型值為13.5V當(dāng)NMOSFET關(guān)斷，變壓器的副邊輸出二極管導(dǎo)通，輸入輸出關(guān)系分析如下：

2設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)電機(jī)控制器驅(qū)動芯片1ED020I2及IGBT型號為AIKQ120N60CT要求，目標(biāo)如下：

通過前面PWM輸出信號控制NMOSFET進(jìn)行驅(qū)動，然后通過變壓器的驅(qū)動輸出得到+15V給驅(qū)動芯片1ED020I12實現(xiàn)正負(fù)電壓供電，得到5V電壓源反饋給系統(tǒng)并同時可以作為供電電壓輸出給電機(jī)控制器內(nèi)部使用，保證供電穩(wěn)定性，并反饋輸出電壓給反激驅(qū)動電路，通過變壓器開關(guān)輸出實現(xiàn)負(fù)反饋過程。最終達(dá)到供電驅(qū)動、采集、反饋輸出循環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)。變壓器的吸收RC和NMOSFET檢流電阻及反饋直接影響到5V電壓源輸出，并影響到VO電壓的幅值調(diào)節(jié)，如果作為IGBT高壓采集系統(tǒng)供電，還會影響到母線采集，因此需要重點關(guān)注。

（1）通過NMOS管的Vds波形的變化可知，變更前，MOS管存在未能按照開關(guān)信號快速進(jìn)行開關(guān)動作不變或滯后，且在調(diào)整Vin過程中，開關(guān)信號占空比不自動調(diào)整，由于變壓器的原因，最大占空比會受到一定的限制，這導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出功率能力不足;設(shè)計優(yōu)化點考慮調(diào)整PWM輸出及反饋，使得MOS管根據(jù)開關(guān)信號快速動作，且開關(guān)信號占空比隨Vin的變化而相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整，很好地提高了開關(guān)電源的輸出功率能力。

圖3說明基于LTC1871設(shè)計一種Flyback控制驅(qū)動電路，其上圖為控制信號原理，下圖為電路設(shè)計原理，電路中根據(jù)前述的設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行變壓器的設(shè)計，主要關(guān)聯(lián)如下幾個重要參數(shù)變量，需要定制化其電感量，在10Hz下，大約28.05μH輸入端，輸出端的直流電阻1.7Ω、1.8Ω、0.1Ω，滿足驅(qū)動三相正極80mA，輸出電源5V隔離需求0.5A，其中額定需求滿載能力較小，15～20mA，滿足啟動需求。變壓器的P10為Drain極，作為輸入信號，P9為DC輸入，9～16V范圍，信號經(jīng)過輸入電感后再進(jìn)入變壓器輸入端，變壓器的P10連接NMOSFET，通過MOSFET根據(jù)開關(guān)信號快速動作，開關(guān)信號占比跟隨Vin變化而相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)變壓器的占空比，實現(xiàn)驅(qū)動電流負(fù)載應(yīng)用變化能力?？赏ㄟ^調(diào)整變壓器耦合連接阻值RC進(jìn)行調(diào)整。占空比越大，輸出電壓值越高，NMOSFET和二極管承受的電壓應(yīng)力越大。

當(dāng)NMOSFET導(dǎo)通時，變壓器的原邊有電流流過，由于電流不同相位，副邊沒有電流，當(dāng)NMOSFET關(guān)斷時，副邊的二極管導(dǎo)通給負(fù)載提供能量產(chǎn)生電壓電流輸出。

依據(jù)電路分析，確定變壓器的初次級主要匝數(shù)比，保證電感尖峰產(chǎn)生的電流和電壓能夠匹配NMOSFET的性能參數(shù)，保證Np：Ns處于合理范圍內(nèi)：

根據(jù)開關(guān)二極管電流等同于輸入電流原則，根據(jù)電路參數(shù)計算輸出電壓：

根據(jù)infineon的1ED020I12datasheet顯示，railtorailout，I=2A，max=20V，實際需求控制在典型值23V（15-（-8V）左右，調(diào)整占空比Dpwm，滿足驅(qū)動芯片需求。

T1為Id導(dǎo)通時間也為Ton，T為線圈整個周期。調(diào)整改變輸入電壓和電感量，獲得合適的電壓值，當(dāng)Uinput=13.5V，占空比=80%，可得Uo=16.2V。

根據(jù)NMOSFET參數(shù)，Q2001典型值在0.9V，以及根據(jù)ES1D參數(shù)特性查詢，D2其最大Diodeforwardvol為1.1V@1A時，取均值1V，則（Vin-1）To=（Vo+1）xTr，考慮最大導(dǎo)通時間預(yù)留80%，Vin取最大16V，有15Vx8μs=（15+1）x1036xTr，Tr=27μs

3仿真

從Pspice仿真上看，進(jìn)行輸入和輸出各參數(shù)進(jìn)行仿真觀測各變量是否存在異常，需要更新調(diào)整部分參數(shù)和閾值，使得輸入電壓PWM、Vds、V0（包含V01和V02等），ID。下圖中波形從上往下，依次為變壓器副邊輸出端二極管后輸出電壓V02（圖3上圖中變壓器輸出第一級），輸出變壓器副邊輸出端二極管輸出電壓V01（圖3上圖中變壓器輸出從上至下第四級），NMOSFET輸出電流ID，NMOSFET輸入端的PWM控制波形;通過對輸入端9-10中控制信息輸入PWM進(jìn)行仿真、仿真各主要參數(shù)還有輸出V01和V02，NMOSFET的輸出電流ID以及反饋端輸出電壓，通過下圖5波形來看，基本達(dá)到了驅(qū)動需求波形，但是輸出V01和V02電壓存在微小波動在50μs內(nèi)，波動范圍約100mv，紅色波形為ID電流波形，是Nmos輸出電流，從波形上看，基本維持值在3A左右，波形走向趨勢基本一致，整體來看，波形較為干凈，在1μs內(nèi)無雜波，周期約70ms，與此波形周期高度重合的時約幅值5V的PWM控制波形，波形正常無振蕩諧波，高低電平幅值符合LTC1871芯片輸出參數(shù)要求，通過上述各類波形周期性測試，在更長的周期內(nèi)未有發(fā)現(xiàn)新的諧波及振蕩，說明圖3電路設(shè)計穩(wěn)定，參數(shù)取值整體合理可控，為后面臺架測試實現(xiàn)理論可靠性依據(jù)。

4電路測試

IGBT驅(qū)動供電電路系統(tǒng)搭建完成，進(jìn)行臺架測試，保證在靜態(tài)、高壓開啟、帶轉(zhuǎn)速帶載時，能滿負(fù)荷輸出保證IGBT的驅(qū)動供電，通過上下橋臂導(dǎo)通切換，實現(xiàn)變壓器及回路帶載能力驗證，波形及導(dǎo)通時間是否異常，通過變壓器的參數(shù)調(diào)整，驗證驅(qū)動波形有無受到限制。

從下圖來看Vds出現(xiàn)振蕩，存在0.8μs振蕩時間，震蕩周期在8μs左右。另，在高電平其實出現(xiàn)過沖及下降震蕩，震蕩周期較小但是震蕩的幅度較大，影響到管子的關(guān)斷和導(dǎo)通。

在低速500rpm時，小扭矩時，容易出現(xiàn)輸入Vds產(chǎn)生電源電壓騷擾波形，形似正弦波;低速時，隨著扭矩增加，輸入的正常電壓中出現(xiàn)振動騷擾波形，輸出可能會疊加，也可能拉低，如疊加將產(chǎn)生更高的輸出電壓，這將使輸出的D2承受更高的沖擊，如相反拉低，將會使得該段時間周期內(nèi)沒有電壓輸出或很低，將會出現(xiàn)輸出驅(qū)動能力不夠，轉(zhuǎn)速升高，出現(xiàn)振蕩失真，導(dǎo)致該段輸出也出現(xiàn)無正向輸出。通過調(diào)整反饋輸出端和芯片ITH、FREQ及變壓器pin9-10、12-13的電阻值。

（1）當(dāng)Vin=18V時，整流二極管兩端的最大反向電壓達(dá)到102V，RC電路的電容耐壓為100V，存在風(fēng)險;

（2）取消調(diào)整輸出端的RC，重新測試，整流二極管兩端的最大反向電壓達(dá)變化小，符合設(shè)計要求Vout輸出正常，控制器聯(lián)調(diào)正常，如下波形;

（3）變更前，需要Vin大于14V時，Vout才能穩(wěn)定輸出;變更后，Vin大于8V時，Vout就可以穩(wěn)定輸出。通過調(diào)整電路參數(shù)，電源的輸出功率顯著提高，提供電源的穩(wěn)定，可靠工作范圍。

5結(jié)語

本文通過前面目標(biāo)參數(shù)建立設(shè)計分析，并通過拓?fù)涞脑矸治?，建立電源設(shè)計電路的優(yōu)化及變壓器參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計，通過Pspice的建立仿真分析了輸入輸出電壓波形和電流波形得出，基于LTC1871的PWM設(shè)計IGBT驅(qū)動電源電路滿足設(shè)計要求，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出電流能力可靠、電壓穩(wěn)定，波形穩(wěn)定無諧波，電源的利用率得以提升，并通過臺架電路實測，系統(tǒng)設(shè)計可靠輸出滿足IGBT門極驅(qū)動上下橋臂驅(qū)動，保障驅(qū)動電機(jī)控制器功能實現(xiàn)。