驱动电源需求分析.doc

万得集团海科汽车电子有限公司 北京研发中心090305-1内部资料刘接刘驱动电源需求分析 版 本： 作 者： 校 对： 审 核： 年 月版本信息版本日期作者校对审核更新描述目录版本信息21电动汽车用IGBT模块背景I2电动汽车用电机驱动器IGBT模块对驱动电源的要求I2.1导通电压I2.2关断电压I2.3门极驱动功率II2.4峰值驱动电流II2.5电气隔离能力II2.6适应工作环境温度的能力III3车用电机驱动器IGBT模块驱动电源的设计IV 1电动汽车用IGBT模块背景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。2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。2.1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15V10%范围内。2.2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。2.3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=QGfs.（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015V时门极充电总量为 6500nC，015V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=IavsVG.（2）式中：Ps平均驱动功率（W）；Iavs平均驱动电流（A）；VG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。2.4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)=VGRG.（3）式中:IG(peak)栅极峰值驱动电流（A）；VG开关电压压差（V）；RG栅极驱动电阻（）。以三菱IGBT模块1200V/600A为例，RG最小建议值为1。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。2.5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/s，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/s，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。2.6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