電動汽車逆變器用IGBT驅動電源設計

1 驅動電源電路設計

1.1 電源拓撲設計

該電源的輸入是新能源乘用車常規的12V電源，該電源通常波動范圍是8~16V，而驅動電源的輸出需要相對穩定。需要設計多組寬壓輸入、定壓輸出的隔離電源。本設計把電源分成兩級：前級電源實現寬壓輸入、定壓輸出功能，后級實現隔離功能，結構見圖1.

圖1：電源拓撲示意圖

該結構的好處是：

一、前級電源無需解決隔離問題，可以采用常規的SEPIC或buck-boost非隔離拓撲，而且前級電源的輸出是無需隔離的低壓定壓，在布局布線中無需考慮各組電源間的爬電距離和電氣間隙問題。因此該部分前級可以作為低壓弱電電路獨立實現，無需占用驅動板面積。

二、后級電源無需解決反饋問題，采用開環控制，避免了隔離信號反饋的麻煩。因為乘用車設備的工況惡劣，工作溫度變化范圍非常大，傳統的線性光耦等器件受溫漂影響精度大幅降低，溫漂補償器件又成本很高，這種方式有效避免這一弊端。

1.2 后級半橋開關電源設計

前級電源屬于典型定壓設計，無需給出設計原理，本文重點介紹后級半橋電路。具體原理圖見圖2和圖3。圖2為采用汽車級定時器電路設計的50%占空比信號發生器，用于給半橋開關電源提供控制信號，其中R49可以用來調整開關頻率，一般可以設定在70kHz到300kHz之間，頻率選擇主要根據電路板實際空間尺寸和變壓器的伏秒積進行折衷選取。

從變壓器計算伏秒積的公式為：

ET=V*D/f_sw (4)

V為加在變壓器上的電壓，D是占空比，f_sw是開關頻率。本設計選擇了一顆ET值達44Vusec的變壓器，因此開關頻率設置較低，為120kHz。

圖2: 50%占空比信號發生電路

圖3為半橋開關電源電路。此電路采用一顆IR的汽車級半橋芯片IRS2004S作為驅動，并聯兩個由Infineon BSR302N組成的并聯半橋電路。采用匝比為1:1.25的通用變壓器，經過倍壓整流得到+15V電壓，經過普通整流得到-8V電壓。每個變壓器用于給一個IGBT驅動供電。在變壓器原邊串聯入汽車級EMC磁珠，可以有效抑制開關產生的電壓尖峰，器件具體信息見附錄表1。IGBT門極是一種容性負載，每次開關都伴隨著較高瞬態電流，即前文計算的峰值驅動電流，因此需要一種紋波電流能力強的長壽命電容，每路電源采用4.7uF X7R汽車級多層陶瓷電容，實現瞬態電壓支撐。X7R多層陶瓷電容具有封裝小，ESR低，允許紋波電流大，溫度降低容量衰減少等優點。

圖3：半橋開關電源電路原理圖