車用電機控制器IGBT驅動板隔離電源優化設計*

周雅夫，侯克晗，連靜

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車用電機控制器IGBT驅動板隔離電源優化設計*

周雅夫，侯克晗，連靜

（大連理工大學 汽車工程學院 遼寧省節能與新能源汽車動力控制與整車技術重點實驗室，遼寧 大連 116024）

反激式開關電源因其高效率、低發熱、小體積的優點以及初級次級隔離的特點非常適合于新能源汽車電機控制器IGBT驅動板隔離電源應用。針對電源系統的穩定性問題，采用UC2845B控制器設計該反激式開關電源電路參數，并根據系統穩定性準則對系統的穩定性進行詳盡的分析與優化。在Pspice仿真軟件下搭建了電路仿真模型，并在交替變化的輸入電壓下，對電源的穩定性進行仿真。按照英飛凌新一代HybridPACK? Drive IGBT封裝制作了實驗樣機，并在實驗中得到了穩定的直流電壓，驗證了所設計的驅動電源的穩定性。

開關電源；反激式；UC2845B；Pspice仿真

前言

在經歷了十余年的高速發展，我國的新能源汽車行業取得了輝煌的發展成就，新能源汽車的普及以及市場占有率，都大幅度領先于國際水平。但在電機控制器等新能源汽車關鍵零部件上，我國各汽車企業依然受制于國外零部件供應商。重點研發新能源汽車相關關鍵零部件已經成為我國零部件企業在“十三五”期間的重要任務，同時這也是制約我國新能源汽車產業發展的瓶頸之一。新能源汽車電機控制器（MCU）主要由邏輯板、IGBT及其驅動板兩大部分組成，而IGBT驅動板隔離電源（以下簡稱驅動電源）則是IGBT驅動板中保障IGBT穩定可靠運行的關鍵組件之一，對其的優化設計研究有著很重要的意義。

IGBT驅動電源一般都采用隔離型開關電源。開關電源是建立在平均化基礎理論上，通過改變開關管占空比從而控制輸出電壓達到期望值的一種DC-DC變換電源。相比于線性穩壓器，它具有極高的效率（可達90%以上）[1]以及較小的體積。采用小體積的高頻變壓器可以很好的解決IGBT上下橋臂間的電壓浮動問題，非常適合用于要求結構緊湊與高效率的新能源汽車電機控制器上。

本文則以英飛凌新一代HybridPACK? Drive IGBT為應用目標，采用隔離型反激變換拓撲結構，基于成本考慮，采用UC2845B電流模式PWM控制芯片，針對穩定性問題，對變換器各組件參數進行優化設計，在Pspice軟件下搭建仿真模型并進行實驗驗證。

1 基于UC2845B車用IGBT驅動電源設計

1.1 反激變換器拓撲結構原理

反激變換器是一種非常實用的電源拓撲，主要由開關管、高頻變壓器、輸出二極管、輸出濾波電容以及脈寬調制器等組成，其基本結構見圖1。相比其他使用變壓器的電源拓撲，反激變換器的變壓器同名端接法相反，在工作的時候其功能更加接近電感原件，初級與次級的安匝比守恒，而不是電壓比守恒。

圖1 反激變換器基本結構

反激變換器的基本工作原理如下：開關管導通，二極管由于變壓器次級同名端反接，處于截止狀態，負載的電流由電容提供。此時變壓器相當于一個電感，流過初級線圈的電流直線上升，能量存儲于初級線圈中。在開關管斷開時，輸出二極管導通，初級線圈中存儲的能量傳遞到次級線圈中，給負載供電同時給輸出電容充電[2-5]。工作時初級與次級線圈中的電流狀態見圖2，圖中p為初級電流，s為次級電流。

圖2 反激變換器基本工作狀態

1.2 UC2845B周邊電路參數設計

圖3為UC2845B的內部結構與典型應用圖，其內部提供了欠壓鎖定器、可編程振蕩器、誤差放大器、電流模式的PWM比較器以及大電流圖騰柱式N溝道MOSFET驅動器，能夠將輸出的最大占空比鎖定在50%，保證整個開關電源工作在不連續模式下，以減小所需的高頻變壓器電感值，從而進一步的減小變壓器體積，總而言之是一款很適合本應用的PWM控制器。

圖3 UC2845B典型應用電路

英飛凌HybridPACK? Drive IGBT的單個IGBT驅動功率大致為1.5W，因此驅動半橋的功率在3W左右。為穩定可靠地完成IGBT的導通和關斷，需要提供+15/-8V驅動電壓，即開關電源需要提供23V的輸出電壓，本文在乘用車12V電壓標準下進行IGBT設計。按照80%的功率進行計算，變壓器初級功率可定為4W。按式（1）計算開關管最大導通時間onmax為20μs。留保一定的裕量取PWM最大占空比為45%，確定開關頻率為20kHz。

式中onmax為開關管最大導通時間；為開關的周期；o為輸出電壓；p為初級匝數；sm為次級匝數；dcmin為輸入電源的最小電壓。

按照式（2）確定初級電感為110μH，則次級電感為668μH。

式中p為初級電感；o為輸出功率。

依照式（3）計算初級最大電流為2.5A，故而選取s為0.4 ?。

式中p為初級最大電流。

圖1中T與T是用來對開關頻率進行編程，其關系如式（4），設定20kHz左右的開關頻率，并考慮到可用電阻，T取5 k?，T取10nF。

式中osc為開關頻率；T為編程電阻的阻值；T為編程電容的容值。

1.3 系統的穩定性分析

由于IGBT驅動電源一般集成與IGBT驅動板中使用，其輸出過壓、欠壓以及短路狀態可以由IGBT驅動芯片的故障反饋得到，經由控制模塊處理后斷開電源。故此部分電路可以不用考慮，僅需要考慮反饋回路的設計以及系統的穩定性分析，UC2845B本身提供的誤差放大器，在電流模式下可以使用如圖4所示的簡化補償網絡，該補償網絡的配置可以非常方便的完成。

圖4 電流式誤差放大器補償網絡

補償網絡的參數計算需要與系統穩定性分析結合進行。為使系統保持穩定而不發生震蕩，需要系統滿足在穿越頻率處即零點處的總開環相移要小于315°（包括45°的相位裕量），系統的總開環增益在過零點處的增益（對數坐標）的斜率為-1。進行穩定性分析主要是基于以上兩條準則，圖4是反激變換器反饋回路的示意圖，可以將整個回路拆分為補償網絡和從誤差放大器輸出ea到輸出端的輸出o兩個部分，保證兩部分增益和（對數坐標）的斜率為-1，再校驗此時的相移即可完成穩定性分析，得到補償回路的參數。

圖5 反激變換器反饋回路示意圖

根據能量守恒原理，初級的能量與次級的能量可得：

式中為負載阻抗。

由圖3可知，誤差放大器的輸出經過兩只二極管與一組2:1比例的分壓電阻后到達電流檢測比較器，一旦電流檢測電阻上的電壓超過該電壓，UC2845B就會關閉開關管，限制初級最大電流，所以初級電流、誤差放大器輸出與電流采樣電阻間滿足式（6）關系：

式中ea為誤差放大器輸出值；s為電流采樣電阻阻值；

式中的1.4V為兩只二極管的壓降，可以理解為對誤差放大器輸出電壓的偏置，不會對增益產生影響，故而可以忽略：

將式（7）帶入式（5）可得從誤差放大器到的輸出端到輸出電壓的低頻增益為：

其傳遞函數的零極點由下式進行計算：

式中p為傳遞函數極點頻率；z為傳遞函數零點頻率；c為輸出濾波電容等效串聯電阻值；o為輸出濾波電容容值。

利用以上參數可以繪制穩定反饋回路的增益曲線，圖4中ABCD則是從誤差放大器到的輸出端到輸出電壓的增益曲線。根據采樣定理，選取穿越頻率為1/5開關頻率即4kHz（圖中P0），依照系統穩定性準則繪制補償回路的增益曲線（圖中P4P3P2P5），在對其相移進行校核，可計算系統在穿越頻率4kHz處的總相移為289.1°完全滿足要求。可以取1=10k ?，=402k ?，1=200nF。

圖6 反饋回路的增益曲線

2 車用IGBT驅動電源Pspice仿真

Pspice是由Spice(Simulation Program with Integrated Cir -cuit Emphasis)發展而來的用于微機系列的通用電路分析仿真程序。

圖7 Pspice仿真模型

Pspice軟件采用圖形化的操作界面，能完成電路的自動檢查，不僅可以用于電路原理的設計、仿真、分析和優化，還能夠與與Allegro PCB設計軟件無縫銜接，可完成電子產品從原理設計、電路仿真到印刷電路板的完全自動化，是最優秀的通用電路仿真軟件之一。

圖8 輸入電壓波形

圖9 輸出電壓波形

在Pspice中搭建仿真模型如圖7所示，模型中包括UC2845B模型、開關管模型，以及變壓器模型，為模擬直流輸入電壓的波動，而12V車用系統的電壓范圍是9~16V，適當放寬一些，將輸入電壓設定為如圖8所示的8~20V，50Hz的正弦型電壓。輸出電壓波形如圖9所示，可以觀察到電壓穩定在24V上，滿足使用要求。

3 實驗

圖10 實驗樣機

按照HybridPACK? Drive IGBT的封裝尺寸，以外置模塊的安裝方式設計了實驗樣機（見圖10），并在12V系統下進行了實驗，實驗結果見圖11，輸出的直流電壓穩定，幅值為24V與仿真相符。

圖11 實驗結果

4 結論

本文介紹了反激變換器基本結構，基于UC2845B，以車用IGBT驅動電源為應用目標，針對穩定性問題，對電路的參數進行優化設計和穩定性分析，在Pspice仿真軟件中搭建了仿真模型并進行了仿真，制作了實驗樣機并在12V系統下進行了實驗，方針和實驗結果都證明了所設計電源的穩定性能夠達到要求。

[1] 尹瓏翔,韋雪明,羅和平,蔣麗.一種基于LC振蕩器的高效隔離式DC-DC開關電源[J].微電子學,2018,48(06):733-737.

[2] 盧小強,宋昊杰.開關電源的原理與特點分析[J].集成電路應用,2017,34(12):81-82.

[3] 劉俊良,章治國,徐洋.基于MP3213芯片的微型開關電源設計[J].電工技術,2017(12):18-20+33.

[4] 張在涌,譚小燕,趙永瑞,曲韓賓,師翔.一種用于DC-DC開關電源芯片的新型軟啟動電路[J].半導體技術,2018,43(02):110-114.

[5] 王思聰.開關電源的基本原理與技術發展綜述[J].價值工程,2018, 37(14):269-271.

Design of Automotive IGBT drive power supply*

Zhou Yafu, Hou Kehan, Lian Jing

( Key Laboratory of Power Control & Manufacturing Technology for New Energy Vehicles, Liaoning Province, School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024 )

Fly-back switching power supplies are well suited for new energy vehicle IGBT drive power applications due to their high efficiency, low heat generation, small size and primary secondary isolation. According to the stability problem of the power system, the circuit parameters of the flyback switching power supply are designed by UC2845B controller, and the stability of the system is analyzed and optimized according to the system stability criterion. The circuit simulation model was built under the Pspice simulation software, and the stability of the power supply was simulated under the alternating input voltage. The prototype was fabricated according to Infineon's new HybridPACKTM Drive IGBT package, and a stable DC voltage was obtained in the experiment to verify the stability of the designed drive power.

Switching power supplies;Fly-back;UC2845B;Pspice simulation

U463.6

A

1671-7988(2019)09-87-04

U463.6

A

1671-7988(2019)09-87-04

周雅夫，碩士，教授，大連理工大學，研究方向為汽車電子與控制。

大連市科技創新基金項目（2018J12GX 061）；國家自然科學基金資助項目（No.51775082，No.61473057）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（No.DUT17LAB11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.029