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(hù)的需求，還要在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)客戶(hù)要求再開(kāi)發(fā)一款中型物流車(chē)車(chē)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(guò)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

01

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(hù)的需求，市場(chǎng)表現(xiàn)也比較優(yōu)越，還為公司爭(zhēng)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(hù)要求再開(kāi)發(fā)一款中型物流新能源車(chē)車(chē)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(wú)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(hù)的需求和市場(chǎng)的認(rèn)可。

02

關(guān)鍵技術(shù)

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(wèn)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(guò)A的電流很少，流過(guò)B的電流較大，長(zhǎng)時(shí)間工作B號(hào)IGBT燒壞的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)增大，使整車(chē)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(wèn)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(jiǎn)單。

從圖2和圖4可以看出需要注意的問(wèn)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(wèn)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(guò)控制器殼體進(jìn)行散熱，控制器結(jié)構(gòu)難度增加。

圖1 單管IGBT并聯(lián)方案-某一上橋臂

圖2 單管IGBT并聯(lián)方案-六橋臂實(shí)物圖

圖3 IGBT模塊三項(xiàng)六橋臂方案

圖4 IGBT模塊三項(xiàng)六橋臂方案PCB實(shí)物板

圖1為三個(gè)英飛凌單管（型號(hào)：IGBTFGY120T65SPD-F085）并聯(lián)方案，它們?yōu)殡姍C(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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大；

缺點(diǎn)：

1、各單管IGBT均流問(wèn)題不好解決，很容易導(dǎo)致某個(gè)管子過(guò)電流過(guò)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單方面；控制器散熱更優(yōu)越，體積更小，為其他整車(chē)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(chē)、小型物流車(chē)、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(cāng)庫(kù)物料管理也會(huì)更簡(jiǎn)單，更容易管控成本，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)更強(qiáng)。

4、散熱問(wèn)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(chē)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.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(guò)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(guò)電阻R300,高壓隔離二極管D300,在經(jīng)過(guò)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^(guò)流過(guò)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(guò)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(chē)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(lái)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(chē)的核心器件IGBT不被燒壞，為整車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖（圖4為此原理圖的實(shí)物PCBA）

3.驅(qū)動(dòng)電路有源米勒鉗位技術(shù)

在圖5紅圈內(nèi)H橋結(jié)構(gòu)中，由于故障被突然被關(guān)斷的IGBT di/dt電流斜率比較大，通過(guò)公式 di/dt*L=U可以看出，di代表在dt一斷時(shí)間內(nèi)一個(gè)電流的變化量，L代表雜電感，U代表IGBT突然關(guān)斷Vce產(chǎn)生的尖峰電壓。在這種情況下di/dt的斜率比較大，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)尖峰電壓，此尖峰電壓會(huì)通過(guò)IGBT內(nèi)部的寄生電容米勒電容Cgd到IGBT的門(mén)極，會(huì)導(dǎo)致IGBT誤導(dǎo)通，再次引發(fā)二次故障或破壞。驅(qū)動(dòng)芯片8pin CLAMP （圖5綠圈內(nèi)）的米勒鉗位功能允許通過(guò)IGBT的寄生電容Miller電容的電流經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的MOSFET低阻抗回路到VCC2的地形成一個(gè)完整的回路。

因此，驅(qū)動(dòng)電路中有了CLAMP鉗位功能在許多應(yīng)用中，可以避免使用負(fù)電源電壓，減少硬件設(shè)計(jì)成本及生產(chǎn)成本等等。在關(guān)斷期間，驅(qū)動(dòng)芯片CLAMP監(jiān)控IGBT的門(mén)極電壓，當(dāng)門(mén)極電壓低于典型值的2v時(shí)，鉗位功能輸出會(huì)被激活。驅(qū)動(dòng)芯片CLAMP引腳為米勒效益產(chǎn)生的干擾提供電流可以高達(dá)2 A電流回路以保證IGBT門(mén)極不被誤觸發(fā)IGBT不會(huì)誤導(dǎo)通，這個(gè)技術(shù)運(yùn)用到控制器中，使得新能源電機(jī)控制器運(yùn)行更平穩(wěn)、可靠、安全、使用壽命周期延長(zhǎng)，保證了新能源汽車(chē)整車(chē)的驅(qū)動(dòng)能力整體性能達(dá)到最佳。

4.驅(qū)動(dòng)電路高壓大電流六層以?xún)?nèi)PCB?layout技術(shù)

在圖4 PCBA可以看出，考慮到了汽車(chē)電機(jī)控制器電輸入電壓、電流都較大，對(duì)驅(qū)動(dòng)管IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)抗干擾性能要求較高，dV/dt、di/dt斜率不能太大。在PCB設(shè)計(jì)中本人采用了六層板，進(jìn)行PCB layout的設(shè)計(jì)。六層電路板每層的信號(hào)分配為信號(hào)層、地線層、電源層、六層板，沒(méi)有絕對(duì)的地線層、電源層、信號(hào)層，但是要考慮安規(guī)（電氣間隙、爬電距離等等）。通過(guò)獨(dú)立的地線層、電源層和PE層，可以對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行屏蔽，避免信號(hào)之間的互相耦合干擾，提供產(chǎn)品的可靠性，改善EMC性能。

圖6 六層IGBT驅(qū)動(dòng)電路PCB實(shí)物圖

03

結(jié)束語(yǔ)

本人在控制器的原理圖設(shè)計(jì)、layout、器件選型等設(shè)計(jì)中，把上面的創(chuàng)新點(diǎn)運(yùn)用到產(chǎn)品中，經(jīng)過(guò)本人親自理論計(jì)算、Multisim的仿真、調(diào)試、試驗(yàn)等追蹤，控制器最終產(chǎn)滿足了客戶(hù)要求。本款控制器研發(fā)成功，攻克了公司多年來(lái)對(duì)高壓大電流控制器的技術(shù)難題，為公司帶來(lái)了好的聲譽(yù)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，在業(yè)界也是處于領(lǐng)先。