60KW電機(jī)控制器硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（可下載）

摘 要：設(shè)計(jì)一款 60KW 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，產(chǎn)品的功能、性能及成本等都能達(dá)到客戶的需求，還要在市場上有競爭力。根據(jù)客戶要求再開發(fā)一款中型物流車車用電機(jī) 控制器，該控制器低壓部分電源為輸入 12V，高壓驅(qū)動(dòng)電路輸入是直流 360V

輸出交 流有效值約 250V，功率 60KW，效率>95%。在控制電路和驅(qū)動(dòng)電路上做了一些優(yōu)化， 超過了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求

關(guān)鍵詞：控制器；IGBT；新能源；旋變解碼芯片

1.引言 

由于有了“15KW 電機(jī)控制器”上個(gè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的功能、性能及成本等都能 達(dá)到客戶的需求市場表現(xiàn)也比較優(yōu)越，還為公司爭取到了不錯(cuò)的名聲和積累了一些 寶貴的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)客戶要求

再開發(fā)一款中型物流新能源車車用電機(jī)控制器，該控 制器低壓部分電源為輸入 12V，高壓驅(qū)動(dòng)電路輸入是直流 360V,輸出交流有效值約 250V，功率 60KW，效率>95%。無疑該項(xiàng)目難度比 15KW 電機(jī)控制器難度大。針對(duì)該項(xiàng) 目的設(shè)計(jì)需求，本人在原有的“15KW 電機(jī)控制器”基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)等等， 最終達(dá)到客戶的需求和市場的認(rèn)可

2.關(guān)鍵技術(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路 IGBT 模塊化，減小寄生參數(shù)、實(shí)現(xiàn)均流平衡技術(shù)

為了能夠使電機(jī)控制器達(dá)到輸出功率 60KW，用 IGBT 單管并聯(lián)方案很難達(dá)到設(shè)計(jì) 指標(biāo)本人在方案上采用了 IGBT 模塊化技術(shù)。常用的 IGBT 并聯(lián)方案是輸入并聯(lián)，輸 出也并聯(lián)但是它的問題比較多，如：

1、IGBT 的寄生參數(shù)太大，大功率時(shí)不可忽略， 增加了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本

2、并聯(lián)方案的均流技術(shù)不好實(shí)現(xiàn)或很難實(shí)現(xiàn)，假設(shè) A 和 B IGBT,流過 A 的電流很少

流過 B 的電流較大，長時(shí)間工作 B 號(hào) IGBT 燒壞的可能性遠(yuǎn) 遠(yuǎn)增大，使整車風(fēng)險(xiǎn)性增加

本項(xiàng)目采用的是驅(qū)動(dòng) IGBT 模塊化方案：三項(xiàng)六橋臂加上 NTC 溫度采樣。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：

1、IGBT 寄生參數(shù)大大減小

2、不存在均流問 題

3、晶圓旁邊或內(nèi)部集成了 NTC 溫度采樣，IGBT 保護(hù)更齊全、更安全

4、驅(qū)動(dòng) 電路更安全、更簡單。從圖 2 和圖 4 可以看出需要注意的問題：

1、分立器件插件器件特別多，貼片后需要波峰焊，貼片工藝難度增大，成本增 加

 2、分立器件散熱結(jié)構(gòu)件比較復(fù)雜，裝配難度增加。

3、分立器件寄生參數(shù)比較大，PCB LAYout 布局等等比較復(fù)雜

耐壓、電流、高 壓隔離、驅(qū)動(dòng)能力、EMI 問題都要考慮進(jìn)去，布線更難

4、由于器件比較多，特別插件器件多，低壓信號(hào)和高壓信號(hào)不能更好的隔離

 布線難度增加，插件器件多導(dǎo)致散熱主要通過控制器殼體進(jìn)行散熱，控制器結(jié)構(gòu)難度 增加

圖 1 為三個(gè)英飛凌單管（型號(hào)：IGBTFGY120T65SPD-F085）并聯(lián)方案，

它們?yōu)殡?機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)電路三項(xiàng)六橋臂的其中一個(gè)橋臂，此方案的優(yōu)點(diǎn)：

1、價(jià)格便宜 2、體積 小 3、市場競爭力大

缺點(diǎn)：

1、各單管 IGBT 均流問題不好解決，很容易導(dǎo)致某個(gè)管 子過電流過大而燒壞，導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被燒壞出現(xiàn)異常

2、寄生參數(shù)比較多，比 如寄生電容、寄生電感等等，由于這些寄生參數(shù) IGBT 續(xù)流二極管和 Vce 的尖峰電壓 

不得不考慮進(jìn)去，這些寄生參數(shù)很容易導(dǎo)致 IGBT 失效

3、支撐 IGBT 的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì) 比較復(fù)雜，生產(chǎn)組裝工序復(fù)雜，測試比較繁瑣，量產(chǎn)效率比較低

4、分立的 IGBT 共需要 18 個(gè),PCBlayout 布局比較復(fù)雜，layout 考慮的因素非常多

圖 3 為用英飛凌 IGBT 集成模塊（HPDrive）搭建的電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)電路，此方案設(shè) 計(jì)實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)為：

1、集成化比較高，一個(gè)模塊自帶 H 橋的三項(xiàng)六橋臂即 6 各 IGBT 集成在一體并且 晶圓自帶 NTC 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻可以時(shí)刻偵測 IGBT 晶圓內(nèi)部的溫度。由于集 成度較高，使得驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更簡單方面；控制器散熱更優(yōu)越，體積更小為其他整 車部件預(yù)留更多的空間，如：BMS、DCDC、高壓配電柜等等

2、寄生參數(shù)比較小，幾乎不受本體寄生參數(shù)的影響，如寄生電容、寄生電感等 等。進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)難度較小的成本實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大穩(wěn)定的功能，更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定、安全、可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3、Ic 持續(xù)通電流能力比較大可以達(dá)到 450A,CE 兩端的電壓可以達(dá)到 650V可以 同時(shí)滿足新能源乘用車、小型物流車、甚至重卡的需求，即一款控制器電路可以匹配 多種功率的電機(jī)大大縮短新項(xiàng)目研發(fā)、調(diào)試、試驗(yàn)、生產(chǎn)等周期。由于不同款的控 制器用的器件、結(jié)構(gòu)件基本相同倉庫物料管理也會(huì)更簡單，更容易管控成本，市場 競爭力也會(huì)更強(qiáng)

4、散熱問題比較容易解決，IGBT 背面自帶集成散熱片，可以直接扣在控制器外 殼的水槽內(nèi)散熱不需要做特殊的處理，直接利用整車的現(xiàn)有冷卻液散熱就可以

 5、IGBT 集成度高 PCBlayout 布局比較容易，layout 考慮點(diǎn)減少

 6、交流 2.5KV 的絕緣強(qiáng)度，高功率的密度，做絕緣處理的銅底板

2.2 驅(qū)動(dòng)電路 IGBT 短路保護(hù)功能技術(shù)

下圖 5 所示，當(dāng) IGBT 短路過流時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的 3pin Desat 會(huì)提供一個(gè)恒流源， 經(jīng)過電阻 R300高壓隔離二極管 D300,在經(jīng)過 IGBT 的 CE 流經(jīng)到驅(qū)動(dòng)芯片的 4pinGND。 直到 IGBT 的 Vce 管壓降到 9v 時(shí)此時(shí)對(duì)去飽和電容進(jìn)行充電到 9v，芯片內(nèi)部會(huì)做 封波處理以保護(hù) IGBT 防止因?yàn)槎搪愤^流過熱而燒壞晶圓當(dāng)去包和電容 C300 升高到 9v 時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片 7pin 輸出為低電平，通過三極管搭建的推挽短路上 N 管 Q300 和下 P 管 Q301,去關(guān)閉 IGBT。這時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片 16pin FLT 故障輸出低電平被激活，送到單片 機(jī)處理反饋到新能源整車的 VCU 做下一個(gè)動(dòng)作的處理。驅(qū)動(dòng)芯片輸出 16Pin （FLT） 輸出低電平即封波，此時(shí) IGBT 關(guān)閉硬件電路設(shè)計(jì)去飽和電容 C300 驅(qū)動(dòng)芯片消隱時(shí) 間用來為 IGBT 從放大到飽和預(yù)留出足夠的時(shí)間

消隱時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部一個(gè)高 精度的電流源和外部電容 C300 提供的。這個(gè)技術(shù)的應(yīng)用保護(hù)了控制器即新能源汽 車的核心器件 IGBT 不被燒壞，為整車的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障

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