电动汽车逆变器用IGBT驱动电源设计

caroline11

１ 驱动电源电路设计
１.1 电源拓扑设计
该电源的输入是新能源乘用车常规的12V电源，该电源通常波动范围是8~16V，而驱动电源的输出需要相对稳定。需要设计多组宽压输入、定压输出的隔离电源。本设计把电源分成两级：前级电源实现宽压输入、定压输出功能，后级实现隔离功能，结构见图1.

图1：电源拓扑示意图

该结构的好处是：
一、前级电源无需解决隔离问题，可以采用常规的SEPIC或buck-boost非隔离拓扑，而且前级电源的输出是无需隔离的低压定压，在布局布线中无需考虑各组电源间的爬电距离和电气间隙问题。因此该部分前级可以作为低压弱电电路独立实现，无需占用驱动板面积。

二、后级电源无需解决反馈问题，采用开环控制，避免了隔离信号反馈的麻烦。因为乘用车设备的工况恶劣，工作温度变化范围非常大，传统的线性光耦等器件受温漂影响精度大幅降低，温漂补偿器件又成本很高，这种方式有效避免这一弊端。

１.2 后级半桥开关电源设计
前级电源属于典型定压设计，无需给出设计原理，本文重点介绍后级半桥电路。具体原理图见图2和图3。图2为采用汽车级定时器电路设计的50%占空比信号发生器，用于给半桥开关电源提供控制信号，其中R49可以用来调整开关频率，一般可以设定在70kHz到300kHz之间，频率选择主要根据电路板实际空间尺寸和变压器的伏秒积进行折衷选取。

从变压器计算伏秒积的公式为：
ET=V*D/f_sw                                    (4)
V为加在变压器上的电压，D是占空比，f_sw是开关频率。本设计选择了一颗ET值达44Vusec的变压器，因此开关频率设置较低，为120kHz。

图2:  50%占空比信号发生电路

图3为半桥开关电源电路。此电路采用一颗IR的汽车级半桥芯片IRS2004S作为驱动，并联两个由Infineon BSR302N组成的并联半桥电路。采用匝比为1:1.25的通用变压器，经过倍压整流得到+15V电压，经过普通整流得到-8V电压。每个变压器用于给一个IGBT驱动供电。在变压器原边串联入汽车级EMC磁珠，可以有效抑制开关产生的电压尖峰，器件具体信息见附录表1。IGBT门极是一种容性负载，每次开关都伴随着较高瞬态电流，即前文计算的峰值驱动电流，因此需要一种纹波电流能力强的长寿命电容，每路电源采用4.7uF X7R汽车级多层陶瓷电容，实现瞬态电压支撑。X7R多层陶瓷电容具有封装小，ESR低，允许纹波电流大，温度降低容量衰减少等优点。

图3：半桥开关电源电路原理图