60KW电机控制器硬件驱动电路设计全过程

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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。

5 \* r6 t* k/ e  J7 Z01引言
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。
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) C. O$ N1 b) m$ ]7 r02关键技术
; }* q/ r+ O! z. d! u" H1.驱动电路IGBT模块化，减小寄生参数、实现均流平衡技术
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  A' T, @$ I9 {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：
6 Z0 y) u  s2 I8 X1、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。
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。

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、IGBT寄生参数大大减小，
5 i# U6 v* R( V( ^7 C3 [2 z1 j2、不存在均流问题，
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、
4、驱动电路更安全、更简单。

& O% M/ p- ]; t8 @* g) Z+ s从图2和图4可以看出需要注意的问题：
1、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。
4 X0 B: y( z/ o/ h" p' F% p2、分立器件散热结构件比较复杂，装配难度增加。
8 I. t2 [1 k6 j/ _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。
3 p* z! h- M# c$ q, c4、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。


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：
1、价格便宜
7 u9 M& }' R" m# ]/ H2、体积小
6 z9 Z( x5 l! \) l9 C+ G. ?8 A3、市场竞争力大；
; h+ ^  Z" k) s9 ~缺点：
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。
* Q+ ^1 U- p4 z& Q2、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。
5 n( K: `/ W9 }8 ?6 w7 ~! [& c3、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。
4、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。

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：
1、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。

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。
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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。

: v9 b1 ~& Q6 C8 F8 @7 |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。
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8 [0 a1 t$ I7 Y9 M. L3 n2.驱动电路IGBT短路保护功能技术
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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。
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: [9 L% a- u$ O; q, K( `3 t3.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。
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! R/ I' w; o) b& l; n  T/ r5 `. H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。
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9 F1 H! d" L2 w1 F9 ]7 H8 O. U% N, a4.驱动电路高压大电流六层以内PCB layout技术

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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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。

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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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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。