驅(qū)動電機控制器IGBT驅(qū)動電源設(shè)計與驗證

摘要：本文介紹了一種新能源電動汽車上用驅(qū)動電機控制器IGBT驅(qū)動電源方案的設(shè)計分析及其驗證，通過對基本Buck-boost拓撲研究變換到Flyback電路，通過對LTC1871電流驅(qū)動芯片的應(yīng)用設(shè)計、分析，設(shè)計反激變壓器參數(shù)目標需求匹配驅(qū)動電路，通過PWM供電、NMOS驅(qū)動、電流檢測、反饋輸出電壓跟蹤閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)滿足一款I(lǐng)nfineon的驅(qū)動芯片1ED020I12芯片的驅(qū)動電路系統(tǒng)，本方案通過原理設(shè)計、電路仿真及電路臺架測試，驗證了系統(tǒng)性能、安全性高，同時可以通過較少的外圍電路實現(xiàn)可靠的供電驅(qū)動，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(diào)制

電機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 (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(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)在電機控制器里面就是絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）驅(qū)動電源的供電驅(qū)動電路，目前，在電機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）拓撲演變而來，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 15 W 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 (single ended primary inductor converter, SEPIC) 拓撲應(yīng)用在電機控制器的 DC-DC 電路中，給系統(tǒng)低壓供電，這個電路輸入 9-16 V，輸出 12 V，究其原因，主要還是變壓器的功率設(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，拓撲結(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)負載調(diào)整其占空比及電流反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)負載端反饋同時實現(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 9-16 V，對 IGBT 驅(qū)動芯片的供電進行控制及調(diào)節(jié)監(jiān)控使得其在不同負載狀態(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、負電壓下可以全時序工作，驅(qū)動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(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行誤差比較達到輸出穩(wěn)定。

上述圖 1 的系統(tǒng)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 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 ～ 4 V PWM 高頻信號，頻率可達 80 ～ 150 kHz，占空比 0 ～ 95%， 實際考慮到諧波因素等，通?？刂圃?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 拓撲驅(qū)動電源。

2 設(shè)計目標

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

通過前面 PWM 輸出信號控制 NMOSFET 進行驅(qū) 動，然后通過變壓器的驅(qū)動輸出得到 +15 V 給驅(qū)動芯片 1ED020I12 實現(xiàn)正負電壓供電，得到 5 V 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)負反饋過程。最終達到供電驅(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 5 V 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，進行變壓器的設(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 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，滿足驅(qū)動三相正極 80 mA，輸出電源 5 V 隔離需求 0.5 A，其中額定需求滿載能力較小，15~20 mA，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，9~16 V 范圍，信號經(jīng)過輸入電感后再進入變壓器輸入端，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)的進行調(diào)整，調(diào)節(jié)變壓 器的占空比，實現(xiàn)驅(qū)動電流負載應(yīng)用變化能力?？赏ㄟ^調(diào)整變壓器耦合連接阻值 RC 進行調(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):

滿足設(shè)計需求。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：當(dāng)線圈處于 CCM 時：

圖4 Tansformer原邊和副變結(jié)構(gòu)及輸出電流波

3 仿真

從 Pspice 仿真上看，進行輸入和輸出各參數(shù)進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，通過圖 5 波形來看，基本達到了驅(qū)動需求波形，但是輸出 V01 和 V02 電壓存在微小波動在 50 μs 內(nèi)，波動范圍約 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，整體來看，波形較為干凈，在 1 μs 內(nèi)無雜波，周期約 70 ms，與此波形周期高度重合的時約幅值 5 V 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 0.8 μs 振蕩時間， 震蕩周期在 8 μs 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 500 rpm 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 pin 9-10、12-13 的電阻值。

（1）當(dāng) Vin = 18 V 時，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(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 14 V 時，Vout 才能穩(wěn)定輸出；變更后，Vin 大于 8 V 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

本文通過前面目標參數(shù)建立設(shè)計分析，并通過拓撲的原理分析，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)動電機控制器功能實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 寧武,曹洪奎,夢麗囡.反激式開關(guān)電源原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[2] 沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[3] 周紀海,周志敏.開關(guān)電源實用技術(shù)-設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[4] ABRAHAM I P.開關(guān)電源設(shè)計(第二版).王志強等譯.北京:電子工業(yè)出版社.2005.

[5] 陳茜兵.驅(qū)動電機IGBT單管并聯(lián)方案控制及應(yīng)用[J].汽車制造業(yè).2020.10.

（本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）