电动汽车永磁同步电机IGBT驱动系统硬件设计

2023-01-18邓孝华严俐慧

机电元件 2022年6期

顾捷，邓孝华，叶萌，李然，严俐慧

(南京工程学院电力工程学院，江苏南京，211167)

1 引言

电动汽车因具有高效、经济、环保等优点而成为新能源汽车研究的热点，永磁同步电机具有高效率、高功率密度而被广泛用作为电动汽车驱动电机[1]。虽然碳化硅器件具有大功率、耐高温等优势，但其成本高，缺少长期运行可靠性评估[2]。目前,IGBT、MOSFET仍是电动汽车驱动器中使用的主流功率器件。为了更好地实现 PMSM的动态性能，采用坐标变换的方法将同步电机等效成直流电机进行控制，把交流电机定子电流矢量进行分解，转换成两个按照转子磁场定向的直流分量id和iq，最终通过对这两个直流分量的控制实现对 PMSM 转矩及转速控制[3,4]。

由于MOSFET结构，通常可以做到电流很大，但耐压较低[5]；而IGBT导通压降低，耐压高，所以适用于高压大功率场合。本硬件设计驱动10kW的永磁同步电机，故选用IGBT作为功率器件。一般而言，IGBT的正向驱动电压在15V,而MOSFET在10-12V左右；驱动电压负压的作用主要是防止关断中的功率开关误导通，同时增加开关速度。因为IGBT具有电流拖尾效应，而且输入电容比较大，为此选取-9V的关断电压。而MOSFET拖尾效应不明显，不需要选取负的关断电压，一般选0V作为关断电压。

2 硬件系统设计及原理说明

2.1 三相逆变电路设计

三相逆变电路由输入整流电容Cdc、三相半桥组成[4]，如图1所示。半桥由2个IGBT串联构成，IGBT选用1200V、25A的FGA25N120ANTD，以满足10kW永磁同步电机。

图1 三相逆变桥

假设电流所有纹波都通过电容，负载通过的电流值为平均值，则电容电压及其电流如图2所示。

图2 电容电压及电流波形

(1)

式中，Δudc为电容电压的变化量；IL为负载电流平均值；D为占空比；TS为PWM周期；Cdc为直流侧的电容值。

设ηv=Δudc/Udc(ηv为电容电压波动率、Udc为电容电压平均值)，则：

(2)

式中，P为直流侧电源输入功率。

通常情况下，占空比在0.9以内。由逆变器工作条件设，Udc=310V，D=0.84，ηv=1%，P=10kW，TS=200μs，计算可得：Cdc≥31.7μF。

2.2 TLP250输入及输出电路设计

为保证功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，提高系统的抗干扰能力；另一方面，由于输出电流较小，对较大功率IGBT驱动时，需要外加功率放大电路，本设计选用TLP250，其内部结构如图3所示。

图3 TLP250引脚配置图

TMS320F28335DSP电平为3.3V，通过查阅资料可知TLP250的输入二极管电压典型值为1.6V，由于流入PWM口的拉、灌电流只有4mA[6]，为此在TLP250输入端接入限流电阻，电阻值应满足：

(3)

选取两个阻值为330的限流电阻接入到2、3引脚,这样输入电流是2.57mA,为此不需要经过缓冲器，如图4所示。

图4 TLP250输入电路

IGBT门极和源极之间接入阻值为10K的电阻R23,用来泄放电荷和消除谐振；稳压管1N4744的作用是保证栅源极电压不超过±15V，起过压保护作用，如图5(a)所示；IGBT栅源极之间并联一个100PF的电容C4来滤除高频干扰，防止误导通，如图5(b)所示。

(a) (b)

图6中8管脚和5管脚之间电压为24V,电阻R13和9.1V稳压管1N4739构成分压电路，1uF电容和47uF电容分别起到稳压滤波作用。当光耦二极管导通时，8管脚和7管脚导通，栅源极之间电压为14.9V；当光耦二极管关断时，7管脚和5管脚导通，栅源极之间电压为-9.1V。电容C10可以起到稳压滤波的作用。TLP250输出与门极之间串入22欧姆的电阻R16消除谐振。1N4739 右端电压为9.1V。当Vo为0V时，1N4148使得栅源极之间有-9.1V的关断电压,确保IGBT可以迅速关断，用来快速泄放电荷。

图6 IGBT驱动电路

2.3 B0524电压转换

如图7所示，B0524S-2WR2电路可将5V的电压转化为24的电压输出，考虑纹波的影响，需要在输入端和输出端各并联一个滤波电容，同时为了保证每一路输出能够安全可靠，需要选择合适的电容，通过查阅资料得到不同输入输出电压下的电容推荐值，当输入电压为5V时，并联4.7uF电容，当输出电压为24V时，并联1uF电容[6]。

三相逆变桥三个上管由三个独立的24V电源供电，三个下管共用1个24V的电源，图8(a)是FGA25N120ANTD IGBT封装，图8(b)是B0524S-2WR2 PCB布线图。

图7 B0524电路

(a) (b)

3 硬件系统及实验波形

3.1 电动汽车永磁同步电机IGBT驱动系统硬件

永磁同步电机驱动系统实验平台如图9所示，图中包括三相IGBT驱动系统、TMS320F28335DSP最小系统、霍尔电流传感器，驱动功率为750W、转速3000r/min的永磁同步电机。示波器显示的电流波形验证了电机驱动系统能够正常运行。FGA25N120ANTD、B0524S-2WR2实物照片如图10(a)、(b)所示。

图9 永磁同步电机驱动系统实验平台

TMS320F28335DSP最小系统板输出六路PWM信号给TLP250的输入二极管，经隔离后输出至IGBT栅源极。根据实验测试上三管三个B0524-2WR2和下三管一个B0524-2WR2四个DC/DC电源在5V输入端总电流约380mA，驱动功率约2W，其中包括9.1V稳压管、TLP250工作电流。如图10(a)所示，FGA25N120ANTD采用TO-3P带双针铝制散热器，逆变器直流输入、三相逆变输出电流较大，采用4mm2的铜导线连接；B0524S-2WR2与最小系统共用一个5V/2A的输入电源，简化了系统设计。