驅動(dòng)電機控制器IGBT驅動(dòng)電源設計與驗證

摘要：本文介紹了一種新能源電動(dòng)汽車(chē)上用驅動(dòng)電機控制器IGBT驅動(dòng)電源方案的設計分析及其驗證，通過(guò)對基本Buck-boost拓撲研究變換到Flyback電路，通過(guò)對LTC1871電流驅動(dòng)芯片的應用設計、分析，設計反激變壓器參數目標需求匹配驅動(dòng)電路，通過(guò)PWM供電、NMOS驅動(dòng)、電流檢測、反饋輸出電壓跟蹤閉環(huán)調節，實(shí)現滿(mǎn)足一款I(lǐng)nfineon的驅動(dòng)芯片1ED020I12芯片的驅動(dòng)電路系統，本方案通過(guò)原理設計、電路仿真及電路臺架測試，驗證了系統性能、安全性高，同時(shí)可以通過(guò)較少的外圍電路實(shí)現可靠的供電驅動(dòng)，降低了電控的成本。

關(guān)鍵詞：升降壓變換器；反激；反激變壓器；IGBT；脈寬調制

電機控制器是新能源汽車(chē)電控產(chǎn)品中一個(gè)復雜的系統，其產(chǎn)品價(jià)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 (electro magnetic compatibility, EMC)、電氣安全等，其中涉及到的信號控制交互有電源信號、模擬量和數字量信號采集、控制反饋、使能的控制和驅動(dòng)，涉及到高壓達到幾百 V，低壓幾 V 甚至更低，然而，在整個(gè)系統中兼顧高低壓同時(shí)存在控制輸入和輸出均需要處理，這個(gè)系統在電機控制器里面就是絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）驅動(dòng)電源的供電驅動(dòng)電路，目前，在電機控制器中由于涉及到驅動(dòng) IGBT 的電源應用絕大部 分都是反激 (flyback）電路系統，升降壓變換器（buckboost）拓撲演變而來(lái)，因為其輸出與輸入的關(guān)系，也稱(chēng)作反激電路，這個(gè)變壓器也稱(chēng)為反激變壓器，同時(shí)也因為其功率整體較小，一般 15 W 左右，作為系統的一部分，去除變壓器后，將其電路單端初級電感式轉換器 (single ended primary inductor converter, SEPIC) 拓撲應用在電機控制器的 DC-DC 電路中，給系統低壓供電，這個(gè)電路輸入 9-16 V，輸出 12 V，究其原因，主要還是變壓器的功率設計和功耗及結構的制約，上述電路在整體上大部分相同或相似但卻無(wú)法實(shí)現功能的同時(shí)還可以實(shí)現輸入和輸出的隔離及經(jīng)濟性和可靠性。為了更好地將 Flyback 電路應用在新能源汽車(chē)驅動(dòng) IGBT 上，先概述下 buck 電路，也就是降壓電路，這個(gè)相對于 boost 升壓電路，參考如圖 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(lái)完成，實(shí)現整個(gè)的電壓轉換 DC-DC。另外，如下圖 1，拓撲結構中，還需要一個(gè)最為重要的控制反饋系統來(lái)實(shí)現 PWM 輸出控制，相對于新能源汽車(chē)中 OBC 的 PFC 電路不同，這個(gè) PWM 通常是一個(gè)具有電流型 PWM 芯片來(lái)完成，具備每個(gè)周期調節及過(guò)閾值保護功能，無(wú)需要再通過(guò)專(zhuān)用額外的 DSP 芯片來(lái)實(shí)現控制，目前這樣的控制芯片，各大主流芯片廠(chǎng)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(lèi)是已經(jīng)根據負載調整其占空比及電流反饋環(huán)節，根據負載端反饋同時(shí)實(shí)現原有的電壓反饋，本文是基于反激電源原理 LTC1871 設計一個(gè) IGBT 驅動(dòng)電源電路系統。

1 方案控制設計

如下圖 1，本方案是基于 LTC1871 電流型 PWM 芯片為核心建立一個(gè)雙閉環(huán)穩定的一階系統，通過(guò)對輸出電壓反饋應用的控制，可以實(shí)現在輸入直流電壓波動(dòng)的 情況下，通常波動(dòng)范圍在 9-16 V，對 IGBT 驅動(dòng)芯片的供電進(jìn)行控制及調節監控使得其在不同負載狀態(tài)下，如空載、輕載和滿(mǎn)載均能可靠輸出驅動(dòng)，保證電機控制器供電安全，尤其是在 IGBT 開(kāi)關(guān)控制和導通時(shí)能保證平穩工作，實(shí)現 IGBT 驅動(dòng)供電在正電壓、零電壓、負電壓下可以全時(shí)序工作，驅動(dòng)電源通常的電壓典型值有+15 V、0 V、-8 V 等值。

電流及電壓控制系統遵循如下圖 1 的傳輸控制，輸入電壓、算法計算、PI 調節控制、PWM 生成控制、電流芯片輸出、NMOSFET 驅動(dòng)及電流采集檢測、轉換反饋，輸出電壓反饋給輸入電壓回路再進(jìn)行誤差比較達到輸出穩定。

上述圖 1 的系統原理用電路拓撲可表示成如下圖 2 的拓撲基本變換：輸入電壓經(jīng)過(guò) Q2004，為開(kāi)關(guān)控制功率器件 NMOSFET 管，其耐壓、導通、輸出電流需要承擔一定負載及帶載切換能力，如導通關(guān)斷應力等，NMOSFET 的 G 極控制信號為 PWM 信號，其電平幅值約 1 ～ 4 V PWM 高頻信號，頻率可達 80 ～ 150 kHz，占空比 0 ～ 95%， 實(shí)際考慮到諧波因素等，通?？刂圃?50% 左右，根據配置電流芯片控制需求，輸出檢流電阻，輸出儲能電感，導通時(shí)充電，關(guān)斷時(shí)放電及輸出濾波功能。續流二極管在其導通時(shí)， LC 形成回路并對 DC 輸出形成濾波。根據輸出電感結構重組，調整電路信號二極管方向和 GND，變成似共模線(xiàn)圈、共模電感結構，并將輸入輸出斷開(kāi)做成繞組變壓器結構，這個(gè)結果就從電感變化成變壓器，通過(guò)繞組的裂變實(shí)現電壓的遷移轉化實(shí)現本方案的 LTC1871 拓撲驅動(dòng)電源。

2 設計目標

根據電機控制器驅動(dòng)芯片 1ED020I2 及 IGBT 型號為 AIKQ120N60CT 要求，目標如下：

通過(guò)前面 PWM 輸出信號控制 NMOSFET 進(jìn)行驅 動(dòng)，然后通過(guò)變壓器的驅動(dòng)輸出得到 +15 V 給驅動(dòng)芯片 1ED020I12 實(shí)現正負電壓供電，得到 5 V 電壓源反饋給 系統并同時(shí)可以作為供電電壓輸出給電機控制器內部使用，保證供電穩定性，并反饋輸出電壓給反激驅動(dòng)電路， 通過(guò)變壓器開(kāi)關(guān)輸出實(shí)現負反饋過(guò)程。最終達到供電驅動(dòng)、采集、反饋輸出循環(huán)穩定系統。變壓器的吸收 RC 和 NMOSFET 檢流電阻及反饋直接影響到 5 V 電壓源輸出，并影響到 VO 電壓的幅值調節，如果作為 IGBT 高壓采集系統供電，還會(huì )影響到母線(xiàn)采集，因此需要重點(diǎn)關(guān)注。

（1）通過(guò)NMOS管的Vds波形的變化可知，變更前，MOS 管存在未能按照開(kāi)關(guān)信號快速進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作不變或滯后，且在調整 Vin 過(guò)程中，開(kāi)關(guān)信號占空比不自動(dòng)調整，由于變壓器的原因，最大占空比會(huì )受到一定的限制，這導致開(kāi)關(guān)電源的輸出功率能力不足；設計優(yōu)化點(diǎn)考慮調整 PWM 輸出及反饋，使得 MOS 管根據開(kāi)關(guān)信號快速動(dòng)作，且開(kāi)關(guān)信號占空比隨 Vin 的變化而相應的進(jìn)行調整，很好地提高了開(kāi)關(guān)電源的輸出功率能力。

圖 3 說(shuō)明基于 LTC1871 設計一種 Flyback 控制驅動(dòng)電路，其上圖為控制信號原理，下圖為電路設計原理，電路中根據前述的設計目標，進(jìn)行變壓器的設計，主要關(guān)聯(lián)如下幾個(gè)重要參數變量，需要定制化其電感量，在 10 Hz 下，大約 28.05 μH 輸入端，輸出端的直流電阻 1.7 Ω、1.8 Ω、0.1 Ω，滿(mǎn)足驅動(dòng)三相正極 80 mA，輸出電源 5 V 隔離需求 0.5 A，其中額定需求滿(mǎn)載能力較小，15~20 mA，滿(mǎn)足啟動(dòng)需求。變壓器的 P10 為 Drain 極， 作為輸入信號，P9 為 DC 輸入，9~16 V 范圍，信號經(jīng)過(guò)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(guò) MOSFET 根據開(kāi)關(guān)信號快速動(dòng)作，開(kāi)關(guān)信號占比跟隨 Vin 變化而相應的進(jìn)行調整，調節變壓 器的占空比，實(shí)現驅動(dòng)電流負載應用變化能力?？赏ㄟ^(guò)調整變壓器耦合連接阻值 RC 進(jìn)行調整。占空比越大，輸出電壓值越高，NMOSFET 和二極管承受的電壓應力越大。

當 NMOSFET 導通時(shí)，變壓器的原邊有電流流過(guò)，由于電流不同相位，副邊沒(méi)有電流，當 NMOSFET 關(guān)斷時(shí)，副邊的二極管導通給負載提供能量產(chǎn)生電壓電流 輸出。依據電路分析，確定變壓器的初次級主要匝數比，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，保證 Np：Ns 處于合理范圍內:

滿(mǎn)足設計需求。根據開(kāi)關(guān)二極管電流等同于輸入電流原則，根據電路參數計算輸出電壓：當線(xiàn)圈處于 CCM 時(shí)：

圖4 Tansformer原邊和副變結構及輸出電流波

3 仿真

從 Pspice 仿真上看，進(jìn)行輸入和輸出各參數進(jìn)行仿真觀(guān)測各變量是否存在異常，需要更新調整部分參數和閾值，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(guò)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(guò)圖 5 波形來(lái)看，基本達到了驅動(dòng)需求波形，但是輸出 V01 和 V02 電壓存在微小波動(dòng)在 50 μs 內，波動(dòng)范圍約 100 mV，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 3 A 左右，波形走向趨勢基本一致，整體來(lái)看，波形較為干凈，在 1 μs 內無(wú)雜波，周期約 70 ms，與此波形周期高度重合的時(shí)約幅值 5 V 的 PWM 控制波形，波形正常無(wú)振蕩諧波，高低電平幅值符合 LTC1871 芯片輸出參數要求，通過(guò)上述各類(lèi)波形周期性測試，在更長(cháng)的周期內未有發(fā)現新的諧波及振蕩，說(shuō)明圖 3 電路設計穩定，參數取值整體合理可控，為后面臺架測試實(shí)現理論可靠性依據。

4 電路測試

IGBT 驅動(dòng)供電電路系統搭建完成，進(jìn)行臺架測試，保證在靜態(tài)、高壓開(kāi)啟、帶轉速帶載時(shí)，能滿(mǎn)負荷輸出保證 IGBT 的驅動(dòng)供電，通過(guò)上下橋臂導通切換，實(shí)現變壓器及回路帶載能力驗證，波形及導通時(shí)間是否異常，通過(guò)變壓器的參數調整，驗證驅動(dòng)波形有無(wú)受到限制。從下圖來(lái)看 Vds 出現振蕩，存在 0.8 μs 振蕩時(shí)間， 震蕩周期在 8 μs 左右。另，在高電平其實(shí)出現過(guò)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)斷和導通。在低速 500 rpm 時(shí)，小扭矩時(shí)，容易出現輸入 Vds 產(chǎn)生電源電壓騷擾波形，形似正弦波；低速時(shí)，隨著(zhù)扭矩增加，輸入的正常電壓中出現振動(dòng)騷擾波形，輸出可能會(huì )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(huì )使得該段時(shí)間周期內沒(méi)有電壓輸出或很低，將會(huì )出現輸出驅動(dòng)能力不夠，轉速升高，出現振蕩失真，導致該段輸出也出現無(wú)正向輸出。通過(guò)調整反饋輸出端和芯片 ITH、FREQ 及變壓器 pin 9-10、12-13 的電阻值。

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

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

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

5 結語(yǔ)

本文通過(guò)前面目標參數建立設計分析，并通過(guò)拓撲的原理分析，建立電源設計電路的優(yōu)化及變壓器參數關(guān)聯(lián)設計，通過(guò) 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 設計 IGBT 驅動(dòng)電源電路滿(mǎn)足設計要求，外圍電路結構簡(jiǎn)單，輸出電流能力可靠、電壓穩定，波形穩定無(wú)諧波，電源的利用率得以提升，并通過(guò)臺架電路實(shí)測，系統設計可靠輸出滿(mǎn)足 IGBT 門(mén)極驅動(dòng)上下橋臂驅動(dòng)，保障驅動(dòng)電機控制器功能實(shí)現。

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（本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）