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60KW电机控制器硬件驱动电路设计全过程

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发表于 2021-7-12 09:50 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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摘  要:设计一款60KW的电机驱动控制器,产品的功能、性能及成本等都能达到客户的需求,还要在市场上有竞争力。根据客户要求再开发一款中型物流车车用电机控制器,该控制器低压部分电源为输入12V,高压驱动电路输入是直流360V,输出交流有效值约250V,功率60KW,效率>95%。在控制电路和驱动电路上做了一些优化,超过了预期的设计目标要求。+ J- O" E, y' d/ {  n. b; |% q* Y
2 L- }+ O: u4 Q8 F' k
01引言
4 Y0 L, {; {. R* f由于有了“15KW电机控制器”上个项目经验,产品的功能、性能及成本等都能达到客户的需求,市场表现也比较优越,还为公司争取到了不错的名声和积累了一些宝贵的关键技术。根据客户要求再开发一款中型物流新能源车车用电机控制器,该控制器低压部分电源为输入12V,高压驱动电路输入是直流360V,输出交流有效值约250V,功率60KW,效率>95%。无疑该项目难度比15KW电机控制器难度大。针对该项目的设计需求,本人在原有的“15KW电机控制器”基础上进行技术上的改进等等,最终达到客户的需求和市场的认可。. Y! [% u$ q* ?9 x' _0 D7 U

: o* v9 y! M! q2 }3 O9 E% X02关键技术
4 u  t: b* }, c. F) Q1.驱动电路IGBT模块化,减小寄生参数、实现均流平衡技术6 \; _4 e3 {0 l' l

- n! X3 Y$ m& X  a为了能够使电机控制器达到输出功率60KW,用IGBT单管并联方案很难达到设计指标。本人在方案上采用了IGBT模块化技术。常用的IGBT并联方案是输入并联,输出也并联。但是它的问题比较多,如:
2 M9 J3 \% V- m3 e& O1、IGBT的寄生参数太大,大功率时不可忽略,增加了设计与生产成本。* _9 B" Z0 E) \! Q! \) }, V/ q& d
2、并联方案的均流技术不好实现或很难实现,假设A和B IGBT,流过A的电流很少,流过B的电流较大,长时间工作B号IGBT烧坏的可能性远远增大,使整车风险性增加。
. I) K8 c0 {, x! a- q8 y, c/ X8 y) P+ M- D$ e
本项目采用的是驱动IGBT模块化方案:三项六桥臂加上NTC温度采样。该方式的优点是:1 [4 e5 Y- i5 E1 L8 t
1、IGBT寄生参数大大减小,& t1 x( |& [1 L* X9 u
2、不存在均流问题,! q8 C$ U5 u0 U. s. N! h
3、晶圆旁边或内部集成了NTC温度采样,IGBT保护更齐全、更安全、
! j( X) ]: M- [8 F+ \. W. ]4、驱动电路更安全、更简单。) F/ d2 t2 W& b
9 [% z' R) I0 _  r4 [: Y$ [8 j
从图2和图4可以看出需要注意的问题:
1 l! s, H+ a- g1 p7 L1 q3 a( H2 z1、分立器件插件器件特别多,贴片后需要波峰焊,贴片工艺难度增大,成本增加。1 z) s: M% }7 Q$ z5 D
2、分立器件散热结构件比较复杂,装配难度增加。6 R9 n2 `' k2 ~! V% T9 X
3、分立器件寄生参数比较大,PCB LAYout 布局等等比较复杂,耐压、电流、高压隔离、驱动能力、EMI问题都要考虑进去,布线更难。/ e, G' c  A2 n0 Q" L1 B
4、由于器件比较多,特别插件器件多,低压信号和高压信号不能更好的隔离,布线难度增加,插件器件多导致散热主要通过控制器壳体进行散热,控制器结构难度增加。
, V2 |* E8 L# r8 b6 r( E$ y' P. d% w* n. o6 }5 R/ E% L* t
& i) n" E. e2 J1 g  }' [5 o
为三个英飞凌单管(型号:IGBTFGY120T65SPD-F085)并联方案,它们为电机H桥驱动电路三项六桥臂的其中一个桥臂,此方案的优点:* M, J" }" i0 }' \1 @
1、价格便宜6 Z! B5 n* w$ X1 G. y( J* x
2、体积小, |: R8 D; K$ m5 y
3、市场竞争力大;' O3 m7 ]3 X8 y
缺点:6 p! x! R" x' O& \  c
1、各单管IGBT均流问题不好解决,很容易导致某个管子过电流过大而烧坏,导致整个驱动系统被烧坏出现异常。
- S, \2 e( M* i0 b  l2、寄生参数比较多,比如寄生电容、寄生电感等等,由于这些寄生参数IGBT续流二极管和Vce的尖峰电压不得不考虑进去,这些寄生参数很容易导致IGBT失效。
, M: J% v: N/ M6 v6 A4 G3、支撑IGBT的结构体设计比较复杂,生产组装工序复杂,测试比较繁琐,量产效率比较低。
. B9 C9 l: C3 D* z4、分立的IGBT共需要18个,PCBlayout布局比较复杂,layout考虑的因素非常多。
0 N* k" D; M4 A9 ]$ N  r; U. ~3 Y% ?8 |3 U0 C$ b5 x) l8 o! w1 S3 u
用英飞凌IGBT集成模块(HPDrive)搭建的电机H桥驱动电路,此方案设计实施的优点为:
! l; ?( N2 X, U( g; s9 {4 o. |( I) e0 s1、集成化比较高,一个模块自带H桥的三项六桥臂即6各IGBT集成在一体并且晶圆自带NTC负温度系数的热敏电阻,可以时刻侦测IGBT晶圆内部的温度。由于集成度较高,使得驱动电路设计更简单方面;控制器散热更优越,体积更小,为其他整车部件预留更多的空间,如:BMS、DCDC、高压配电柜等等。
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2、寄生参数比较小,几乎不受本体寄生参数的影响,如寄生电容、寄生电感等等。进一步减小驱动电路设计难度,较小的成本实现强大稳定的功能,更容易实现稳定、安全、可靠的电机驱动电路。
! [1 [) E& g  w& a, _' a+ c1 v; {5 p" R3 k( k4 ]4 P$ k2 W
3、Ic持续通电流能力比较大可以达到450A,CE两端的电压可以达到650V,可以同时满足新能源乘用车、小型物流车、甚至重卡的需求,即一款控制器电路可以匹配多种功率的电机,大大缩短新项目研发、调试、试验、生产等周期。由于不同款的控制器用的器件、结构件基本相同,仓库物料管理也会更简单,更容易管控成本,市场竞争力也会更强。
, O+ z/ u& F! l- }+ G) z3 c  V  m
7 e( r; e! Z6 ]4、散热问题比较容易解决,IGBT背面自带集成散热片,可以直接扣在控制器外壳的水槽内,散热不需要做特殊的处理,直接利用整车的现有冷却液散热就可以。
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5、IGBT集成度高PCBlayout布局比较容易,layout考虑点减少。
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6、交流2.5KV的绝缘强度,高功率的密度,做绝缘处理的铜底板。
6 E& x3 u9 Z! J- I) e* j/ B5 d5 b  |# g2 Z* G3 u2 y$ x" ?
2.驱动电路IGBT短路保护功能技术
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4 _1 ?% o4 `1 n当IGBT短路过流时,驱动芯片的3pin Desat会提供一个恒流源,经过电阻R300,高压隔离二极管D300,在经过IGBT的CE流经到驱动芯片的4pinGND。直到IGBT的Vce管压降到9v时,此时对去饱和电容进行充电到9v,芯片内部会做封波处理以保护IGBT防止因为短路过流过热而烧坏晶圆。当去包和电容C300升高到9v时,驱动芯片7pin输出为低电平,通过三极管搭建的推挽短路上N管Q300和下P管Q301,去关闭IGBT。这时,驱动芯片16pin FLT故障输出低电平被激活,送到单片机处理,反馈到新能源整车的VCU做下一个动作的处理。驱动芯片输出16Pin (FLT)输出低电平即封波,此时IGBT关闭。硬件电路设计去饱和电容C300驱动芯片消隐时间用来为IGBT从放大到饱和预留出足够的时间。消隐时间是由驱动芯片内部一个高精度的电流源和外部电容C300提供的。这个技术的应用,保护了控制器即新能源汽车的核心器件IGBT不被烧坏,为整车的安全稳定运行提供了保障。
( j- \5 K0 Q& D8 y$ T" B) Y( V/ @" ]6 x0 M( |+ N
7 a% a7 G  Y4 _6 d
3.驱动电路有源米勒钳位技术
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红圈内H桥结构中,由于故障被突然被关断的IGBT di/dt电流斜率比较大,通过公式 di/dt*L=U可以看出,di代表在dt一断时间内一个电流的变化量,L代表杂电感,U代表IGBT突然关断Vce产生的尖峰电压。在这种情况下di/dt的斜率比较大,会产生一个或多个尖峰电压,此尖峰电压会通过IGBT内部的寄生电容米勒电容Cgd到IGBT的门极,会导致IGBT误导通,再次引发二次故障或破坏。驱动芯片8pin CLAMP (图5绿圈内)的米勒钳位功能允许通过IGBT的寄生电容Miller电容的电流经过驱动芯片内部的MOSFET低阻抗回路到VCC2的地形成一个完整的回路。! y8 \  K# A: Z6 w  L9 w

. t, L7 @6 E! I( X因此,驱动电路中有了CLAMP钳位功能在许多应用中,可以避免使用负电源电压,减少硬件设计成本及生产成本等等。在关断期间,驱动芯片CLAMP监控IGBT的门极电压,当门极电压低于典型值的2v时,钳位功能输出会被激活。驱动芯片CLAMP引脚为米勒效益产生的干扰提供电流可以高达2 A电流回路以保证IGBT门极不被误触发IGBT不会误导通,这个技术运用到控制器中,使得新能源电机控制器运行更平稳、可靠、安全、使用寿命周期延长,保证了新能源汽车整车的驱动能力整体性能达到最佳。
3 C) G* ?) t. u2 c, Q3 ]4 h2 e5 A1 [; s; m( y9 S2 C
4.驱动电路高压大电流六层以内PCB layout技术
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" E1 b7 @+ b# F" L" a; Y在图4 PCBA可以看出,考虑到了汽车电机控制器电输入电压、电流都较大,对驱动管IGBT驱动信号抗干扰性能要求较高,dV/dt、di/dt斜率不能太大。在PCB设计中本人采用了六层板,进行PCB layout的设计。六层电路板每层的信号分配为信号层、地线层、电源层、六层板,没有绝对的地线层、电源层、信号层,但是要考虑安规(电气间隙、爬电距离等等)。通过独立的地线层、电源层和PE层,可以对控制信号进行屏蔽,避免信号之间的互相耦合干扰,提供产品的可靠性,改善EMC性能。
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发表于 2021-7-12 11:21 | 只看该作者
为了能够使电机控制器达到输出功率60KW,用IGBT单管并联方案很难达到设计指标。本人在方案上采用了IGBT模块化技术。常用的IGBT并联方案是输入并联,输出也并联。

该用户从未签到

3#
发表于 2021-7-12 18:11 | 只看该作者
IGBT的寄生参数太大,大功率时不可忽略,增加了设计与生产成本。
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    开心
    2019-11-21 15:51
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    [LV.1]初来乍到

    4#
    发表于 2021-7-12 18:13 | 只看该作者
    寄生参数比较多,比如寄生电容、寄生电感等等,由于这些寄生参数IGBT续流二极管和Vce的尖峰电压不得不考虑进去,这些寄生参数很容易导致IGBT失效。
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