电动汽车用电机驱动器IGBT模块驱动电源
摘要：分析了IGBT模块门极特性以及IGBT驱动电源在隔离、功率及温度等方面的特殊要求。提出了一种利用开关电源反激拓扑结构设计IGBT驱动电源的方法，最后通过设计的电动汽车用电机驱动器IGBT模块驱动电源进行了实验验证。
关键词：IGBT；驱动电源；反激电源
引言
绝缘栅极双极晶体管（IGBT）作为新一代全控型电力电子器件,在交流变频器,伺服驱动器,大功率开关电源,电子逆变焊机,不间断电源（UPS）等设备上得到了广泛的应用。IGBT模块利用电压驱动，具有驱动功率小，饱和导通电压低，工作可靠等优点。驱动电源对保证IGBT工作的可靠性起着关键性作用。对于用于汽车电机驱动器中的IGBT模块，对其驱动电源的要求既与通用变频器IGBT模块驱动电源有相同点，又因其应用环境不同而有特殊之处，本文针对电动汽车用电机驱动器IGBT模块隔离驱动电源进行了分析和研究。
电动汽车用电机驱动器IGBT模块对驱动电源的要求
IGBT模块驱动电源主要取决于IGBT模块开关特性和驱动电路的工作环境。IGBT模块的开关特性以及对驱动电源的要求主要有以下几点。
导通电压
由于IGBT栅极特点，门极驱动电压一般小于20V。导通电压高于20V会导致门极二极管击穿，并造成器件永久性损坏。因此，在任何条件下应避免大于20V的门极驱动电压。开通IGBT所需最低电平由器件的跨导（增益）和器件的开关损耗决定。虽然10V的门极电压足够开通IGBT，但是使用10V的门极开通电压并不能使IGBT高效率开关。因为门极电压通过门极串联的电阻以指数速率充电，需要花很长一段时间才能达到10V。为了得到优化的开通性能，一般IGBT开通电压选择在15V±10%范围内。
关断电压
为了保证IGBT模块可靠关断，至少需要－5V的偏置关断电压。使用负关断偏置电压有利于减小开关损耗和对dv/dt的抗干扰能力。车用中大功率的IGBT模块需要更低的关断偏置电压。首先，中大功率IGBT模块在更高电压下开关会导致dv/dt增加，IGBT栅极会通过栅－源极寄生电容耦合开关噪声；其次，大功率IGBT模块由于多个元胞与内部串连的电阻相并联而成，即使其栅极外部端子非常短，米勒效应也会导致电流流过内部电阻时，IGBT芯片门极电压升高。
门极驱动功率
当IGBT模块开关工作时，模块所需能量来自于驱动电源。开关所需能量是开关频率、开关偏置电压和门极充电总量的函数，驱动电源为IGBT模块提供的平均驱动电流为：
Iavs=QG×fs..............（1）
式中：Iavs——平均驱动电流（A）；
QG——门充电总量（C），此数值可以从IGBT数据手册中门极充电曲线上获得；
fs——开关频率（Hz）。
图1给出了三菱1200V/600AF系列IGBT模块门极充电曲线，从曲线上可以得出门极电压0~15V时门极充电总量为6500nC，0~－15V时过渡充电总量为4000nC，(将门极充电曲线反向延长，即可得到负向充电曲线)。因而可以得到门充电总量为8500nC。当开关频率为10kHz，驱动电源电压为±15V，驱动电源需要的平均电流则为85mA。门极所需驱动电源提供的总的驱动功率可以简化为：
Ps=Iavs×ΔVG.............（2）
式中：Ps——平均驱动功率（W）；
Iavs——平均驱动电流（A）；
ΔVG——开关电压压差（V）。
对于上例可以得出平均驱动功率为2.55W。车用电机驱动器用IGBT模块平均功率与此相当，对于大功率模块，驱动功率可达数瓦。
峰值驱动电流
IGBT模块栅极具有电容效益，虽然其平均驱动功率很小，但是为了使IGBT模块快速开通，需要很高的峰值驱动电流。理想情况下，峰值电流可以用下式估算（输出阻抗和电感忽略不计）：
IG(peak)=ΔVG÷RG...........（3）
式中:IG(peak)——栅极峰值驱动电流（A）；
ΔVG——开关电压压差（V）；
RG——栅极驱动电阻（Ω）。
以三菱IGBT模块1200V/600A为例，RG最小建议值为1Ω。从上面公式可以得到峰值门极驱动电流为30A，实际峰值电流一般小于这个值，因为电流高处的部分一般不是真实的。然而使设计的驱动峰值电流接近理论上计算的最大电流值，对于驱动电路高效工作非常有利。
电气隔离能力
车用电机驱动器通常应用全桥电路，具有高电压、大电流等特点。位于桥臂上的IGBT模块处于浮动地点，上桥臂开关器件的电位随着器件开关而变化，因此驱动电源必须具有隔离控制电路与功率电路的能力。电气隔离信号通常通过光电元件或脉冲变压器来实现。这种隔离在隔离点须承受在IGBT应用中出现的非常高的电压，大功率IGBT模块甚至高达6500V。同时隔离绝缘材料抗老化能力也至关重要。在车用电机驱动器中IGBT的开关频率为几kHz甚至十几kHz，极短的开通和关断时间有利于减小过渡过程中的能量损耗，但这会导致在隔离处输出端的电压变换率高达数kV/μs，因此隔离处必须具有极小的耦合电容，以阻止干扰从输出端传递到控制端。干扰耦合到控制端会导致严重的故障，甚至由于驱动电路缺乏dv/dt噪声抑止力而损坏IGBT，IGBT驱动电源需具有一定功率，以驱动IGBT。这需要一定物理尺寸的变压器，变压器体积增加又会增加耦合电容，从而影响dv/dt抑制力。如果设计的驱动板具有比IGBT阻断电压高得多的电压等级，如50kV/μs，那么驱动板就能够提供足够的dv/dt抑制能力。与此同时，因为车上继电器等干扰源很多，驱动电源还应该具有抗外来电磁干扰的能力。
适应工作环境温度的能力
车用电机驱动器IGBT必须适应车上恶劣的温度环境。一方面汽车零部件工作在相对狭小的环境中，环境温度较高；另一方面电机驱动器体积小、IGBT模块的功耗以及驱动电源本身的功耗进一步提高了驱动器的内部温度。因此，在电源设计中温度参数是设计成败的关键因素之一。减小温升可以通过以下几方面来实现。首先是加大设计定额，采取降额使用；其次是优化磁性器件的设计，减小功耗，优化功率器件开关，选用合适的开关频率，减小开关损耗。再次是使用工业级或军用级耐高温器件，减小温度对器件的影响。
车用电机驱动器IGBT模块驱动电源的设计
从以上驱动电源分析可以得出，车用电机驱动器IGBT模块驱动电源应该具有隔离高电压、多组输出、耐高温和抗电磁干扰等特点。从目前开关电源的拓扑分析，反激电源拓扑适合车用IGBT模块驱动电源。反激电源具有结构简单、性能价格比高、控制简单、多绕组交叉调整等优点。在车用中低功率电机驱动器中，反激电源结合光耦能够制作出性能可靠、性价比高的IGBT模块驱动电路。
反激电源设计步骤
反激电源工作原理在许多文献中都有阐述，下面分析一下反激电源设计方法，反激电源设计分为几个步骤。图2给出了反激电源从设计到生产的全部步骤。在设计中需要特别关注磁性器件的设计和热分析与设计，在设计中要考虑到上述分析中提到的车用IGBT模块对电源的特殊要求。
反激电源变压器设计
在反激电源设计中，最重要的就是反激变压器的设计[4]，当用于IGBT驱动电源时，反激变压器更是与众不同，变压器如果设计不当，会产生电压尖峰，不仅影响电源工作寿命，还会造成电源电压交叉调整量大，以及造成开关损耗加大，甚至造成IGBT损坏。针对IGBT驱动电源应用，应注意以下几点：
由于IGBT门极开通电压一般为15V±5％,关断电压为－5~－10V，门极最大承受电压不得大于20V。由于各绕组采用隔离方式，因此必须采用一定措施减小交叉调整量。IGBT驱动电源二次侧绕组多，可以采用三明治绕制方法，反馈绕组可以采用多组并联方法。在诸如IPM对于电源电压要求精度高的应用，可以在各绕组后加线性稳压器件。
由于IGBT模块驱动需要一定的峰值电流，因此绕组输出需要一定量的电容，电容要求等效电阻（ESR）足够小，这样可以提供较大的瞬时峰值电流，加快开通时间，减小开通损耗。
在IGBT模块的应用中,特别是中大功率IGBT模块,每一个IGBT驱动电路需要使用独立的驱动电源供电，以减小母线寄生电感的影响。这些相互独立的驱动电源来自于反激变压器的各个绕组,绕组间寄生电容无疑会影响到各独立供电电源之间的交流悬浮程度,IGBT开关瞬间将对寄生电容充放电,当耦合电容较大时,会引起较大的脉冲电流沿供电电源及驱动线传输。由于线路电阻和引线电感,脉冲电流引起的压降会耦合到驱动信号引起误动作。因此,设计的辅助电源引线及驱动线应尽可能短。
IGBT模块驱动电源原理
根据上述分析，设计了一款车用驱动器IGBT模块驱动电源（图3）。驱动的IGBT模块为1200V/400A，驱动电源参数为：输入电源电压9~18V，输出功率18W。
其中一组用于驱动下桥臂3个IGBT，功率为9W，其他3组的每组输出功率为3W；一次侧电感为14.13μH，一次侧峰值电流为11A，开关频率为29kHz，一次侧匝数为6匝，二次侧电压为－10V和15V，匝数分别为7匝和10匝。从图中3可以看出，系统采用电流控制PWM芯片UC2843，其特点是一次侧峰值电流逐周限制，启动电压低，图腾柱输出，控制电路简单。由肖特纳二极管和瞬态吸收二级管构成开关尖锋吸收电路，以减小开关损耗。电压采样取自提供3个下桥臂开关器件驱动电压的绕组，因为此组驱动功率最大，以此作为电压反馈，系统最稳定且电压调整精度高。图4和图5给出实测波形。从图中可以看出，驱动电源实际波形与反激电源理论波形相同。
结论
本文详细分析了车用驱动器IGBT模块对驱动电源的特殊要求，并提出利用反激拓扑结构设计IGBT模块驱动电源的方法，着重解决了反激拓扑电源用于IGBT模块驱动电源的几个设计难点。实验表明本文提出的驱动电源由于结构简单，性能可靠，成本低，具有广泛的应用前景。