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如何用一颗IGBT撬动电动汽车逆变器?

2017年04月17日 18:25 次阅读

电动汽车逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供动力,IGBT功率模块是电动汽车逆变器的核心功率器件,其驱动电路是发挥IGBT性能的关键电路。驱动电路的设计与工业通用变频器、风能太阳能逆变器的驱动电路有更为苛刻的技术要求,其中的电源电路受到空间尺寸小、工作温度高等限制,面临诸多挑战。

本文设计一种驱动供电电源,并通过实际测试证明其可用性。常见的驱动电源采用反激电路和单原边多副边的变压器进行设计。由于反激电源在开关关断期间才向负载提供能量输出的固有特性,使得其电流输出特性和瞬态控制特性相对来说都比较差。在100kW量级的IGBT模块空间布局中,单个变压器集中生产4到6个互相隔离的正负电源的设计存在诸多不弊端:电源过于集中,爬电距离和电气间隙难以保证,板上电源供电距离过长等等。本设计采用常见的非专用芯片进行电路设计,前级SEPIC电路实现闭环,后级半桥电路实现隔离有效解决了上述问题。该电路成功应用于国际领先的新能源汽车逆变器设计中。应用表明,该设计具有较好的灵活性、高可靠性和瞬态响应能力。

1 电动汽车逆变器驱动电源的要求分析

电动汽车逆变器驱动电源一般为6个互相隔离的+15V/-5V电源。该电源的功率、电气隔离能力、峰值电流能力、工作温度等等都有严格的要求。以英飞凌的汽车级IGBT模块FS800R07A2E3_B31为目标进行电源指标的具体计算,该模块支持高达150kW的逆变器系统设计。

1.1 驱动功率计算

该驱动电源的输入功率计算公式为:

P=f_sw&TImes;Q_g&TImes;△V_g /η (1)

其中f_sw开关频率取10kHz,Q_g根据数据手册取8.6nC,△V_g为门极驱动电压取23V。考虑到功率较小,效率取85%。此外注意到数据手册中的8.6nC是按照电压+/-15V计算,需考虑折算,最后计算结果为1.8W。考虑设计裕量1.1倍,记为2W。

1.2 驱动电流计算

平均驱动电流计算公式为:

I_av=f_sw&TImes;Q_g (2)

可以计算得到平均电流为86mA。

峰值电流计算公式为:

I_peak=△V_g /(R_gext+R_gint) (3)

R_gext为外部门极电阻,按数据手册取开通1.8欧关断0.75欧。R_gint为内部门极电阻,按数据手册取0.5欧,得到开通峰值电流10A,关断峰值电流18.4A。实际使用中,开通电阻和关断电阻需要进行开关速度与短路保护能力等性能的折衷,良好的设计值在2.2~5.1欧范围,因此实际开关峰值电流在4~10A范围。

2 驱动电源电路设计

2.1 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.

如何用一颗IGBT撬动电动汽车逆变器?

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。

2.2 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。

如何用一颗IGBT撬动电动汽车逆变器?

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。

如何用一颗IGBT撬动电动汽车逆变器?

图3:半桥开关电源电路原理图

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在接受CNBC采访时,保时捷北美CEO Klaus Zellmer坦承,Tesla吸引走了一部分保时...

发表于 2018-03-16 09:24 778次阅读
从保时捷 Mission E 公布的参数及功能点...

德国汽车制造经历变革后的行业分析与布局

电力驱动与自动驾驶技术将彻底改变它们被使用的方式。而在适应新技术环境过程中出现的困难,不仅威胁着戴姆...

发表于 2018-03-15 18:21 435次阅读
德国汽车制造经历变革后的行业分析与布局

中国新能源汽车保有量超过160万辆占世界一半

日前,科技部部长万钢在十三届全国人大一次会议记者会上回答有关新能源汽车问题时介绍,截至2017年,我...

发表于 2018-03-15 15:45 276次阅读
中国新能源汽车保有量超过160万辆占世界一半

电磁炉温度检测电路图大全(高频/IGBT/传感器...

本文主要介绍了电磁炉温度检测电路图大全(高频/IGBT/传感器温度检测电路详解)。电磁炉中的温度检测...

发表于 2018-03-15 09:41 714次阅读
电磁炉温度检测电路图大全(高频/IGBT/传感器...

浩亭技术集团已为电动交通准备就绪,致力制造量身定...

上海,2018年3月9日——浩亭技术集团已为电动交通准备就绪。在第88届日内瓦国际车展上(2018年...

发表于 2018-03-14 14:52 104次阅读
浩亭技术集团已为电动交通准备就绪,致力制造量身定...

储能电池已经成倍的增长,这也是未来快速增加的一个...

这里还是参考一下SNE Research的数据,由于可再生能源发电量的扩张和各国储能推广政策的推动,...

发表于 2018-03-14 09:15 895次阅读
储能电池已经成倍的增长,这也是未来快速增加的一个...

高压IGBT模块在湿度影响下的寿命预估模型

在一些电力电子应用场合,不仅需要高压IGBT模块有优异的性能,还需要具有相当高的可靠性;为了满足实际...

发表于 2018-03-13 16:34 674次阅读
高压IGBT模块在湿度影响下的寿命预估模型

电动汽车电驱系统分类、技术趋势和主流电驱系统介绍

电子差速器的优点是体积小、质量轻,在汽车转弯时可以实现精确的电子控制,提高电动汽车的性能;其缺点是由...

发表于 2018-03-13 16:06 936次阅读
电动汽车电驱系统分类、技术趋势和主流电驱系统介绍

纯正弦波逆变器哪个好_纯正弦波逆变器排行榜

本文主要介绍了纯正弦波逆变器哪个好_纯正弦波逆变器排行榜。纯正弦波的逆变器好,困为谐波分量少,功率因...

发表于 2018-03-13 11:07 1313次阅读
纯正弦波逆变器哪个好_纯正弦波逆变器排行榜

纯正弦波逆变器电路图大全(数字式/自举电容/光耦...

本文主要介绍了纯正弦波逆变器电路图大全(数字式/自举电容/光耦隔离反馈电路图详解)。逆变电源硬件结构...

发表于 2018-03-13 10:43 1047次阅读
纯正弦波逆变器电路图大全(数字式/自举电容/光耦...

电动汽车和自动驾驶将给汽车产业带来巨大变革

Michael Doogue表示,Allegro一直为要求严苛、以安全性为核心的汽车应用设计和制造极...

发表于 2018-03-13 10:30 572次阅读
电动汽车和自动驾驶将给汽车产业带来巨大变革

中国汽车产业尤其是零部件产业已经进入“深度国产替...

通过车企和零部件的交叉协同,德国汽车产业代表了欧洲汽车产业最锐意进取的一面,也受到了全球消费者的认可...

发表于 2018-03-12 15:52 556次阅读
中国汽车产业尤其是零部件产业已经进入“深度国产替...

电动汽车合资浪潮,长城汽车与宝马汽车合资生产电动...

这个世界是变化挺快的,所以除了戴姆勒很早之前做的一次尝试以后,到后面试着自己真正进入新能源汽车的领域...

发表于 2018-03-12 15:45 780次阅读
电动汽车合资浪潮,长城汽车与宝马汽车合资生产电动...

佐鲁控股与金沙江双方达成共同生产纯电动汽车车载电...

根据工信部发布的2017年第五批《目录》,AESC首次进入,为江苏常隆客车有限公司三款客车配套;第六...

发表于 2018-03-12 15:34 813次阅读
佐鲁控股与金沙江双方达成共同生产纯电动汽车车载电...

中国的车市产业链上的热热闹闹,都是随着中国经济快...

几乎所有的国外汽车企业,都在搞模块化,简单点来说,是花更少的工程人力,开发时间,来满足全球的需求。在...

发表于 2018-03-12 15:25 467次阅读
中国的车市产业链上的热热闹闹,都是随着中国经济快...

电鱼机常用保护电路图大全

本文主要介绍了电鱼机常用保护电路图大全。在制作电鱼机之前我们需要掌握一些电子电路图的基本知识,这样才...

发表于 2018-03-12 14:46 980次阅读
电鱼机常用保护电路图大全

超级简单的逆变器制作

本文主要介绍了七款超级简单的逆变器制作电路原理图详解。只用4个元件的逆变器,制作简单,用于普通照明不...

发表于 2018-03-12 11:50 2127次阅读
超级简单的逆变器制作

中国也要禁止销售加汽油、柴油的汽车了新能源汽车将...

一刚刚,央视传来大消息!工信部部长苗圩在接受央视记者时,向世界重磅宣布:中国正在研究制定取消燃油车的...

发表于 2018-03-12 10:22 905次阅读
中国也要禁止销售加汽油、柴油的汽车了新能源汽车将...

停车位再小也不怕了,这款可变形的折叠式电动汽车太...

日本一家车企近日以动漫系列“高达”为灵感,研发了一款可变形的折叠式电动汽车,这款折叠式电动汽车采用紧...

发表于 2018-03-12 09:36 520次阅读
停车位再小也不怕了,这款可变形的折叠式电动汽车太...

电动汽车动力电池材料回收与再利用关键技术

新能源汽车的核心部件是动力电池,中国物资再生协会常务副会长、资源强制回收产业技术创新战略联盟理事长刘...

发表于 2018-03-11 09:24 1032次阅读
电动汽车动力电池材料回收与再利用关键技术

2018年电动汽车深度报告,新能源汽车产销不及预...

国内负极材料市场规模从2013 年的24.10 亿元增长至2016 年的64.57 亿元,复合增长率...

发表于 2018-03-11 09:17 1110次阅读
2018年电动汽车深度报告,新能源汽车产销不及预...

最简单的变压电路图大全(交流逆变器/振荡升压电路...

本文主要介绍了最简单的变压电路图大全(交流逆变器/振荡升压电路原理图详解)。555定时器是一种模拟和...

发表于 2018-03-10 11:07 1525次阅读
最简单的变压电路图大全(交流逆变器/振荡升压电路...

半导体上下游供应商汇总大全

IGBT是半导体分立器件重要的组成部分,目前全球有70% IGBT模块市场被日系企业控制,德系的英飞...

发表于 2018-03-10 10:32 6275次阅读
半导体上下游供应商汇总大全

英飞凌科技携手上汽集团在华成立功率半导体合资企业

摩尔芯闻:2018年3月2日,中国上海和德国慕尼黑讯—上海汽车集团股份有限公司(以下简称“上汽集团”...

发表于 2018-03-07 13:39 585次阅读
英飞凌科技携手上汽集团在华成立功率半导体合资企业

10kW电动汽车充电站电源设计

发表于 2018-02-01 17:41 678次阅读
10kW电动汽车充电站电源设计

急:单相电压型半桥逆变器直流侧用两个电容怎么保持逆变电路正常工作,希望各位大佬帮忙解决一下

发表于 2018-01-31 19:19 447次阅读
急:单相电压型半桥逆变器直流侧用两个电容怎么保持逆变电路正常工作,希望各位大佬帮忙解决一下

逆变器并网瞬间冲击电流很大

发表于 2018-01-31 10:56 435次阅读
逆变器并网瞬间冲击电流很大

求助一个独立逆变器PID闭环程序,开环已搞定,但不知道闭环程序如何做?

发表于 2018-01-29 16:14 461次阅读
求助一个独立逆变器PID闭环程序,开环已搞定,但不知道闭环程序如何做?

电动汽车真的是你们想象的那么环保吗?

发表于 2018-01-25 10:54 434次阅读
电动汽车真的是你们想象的那么环保吗?