车用电机控制器IGBT驱动板隔离电源优化设计*

周雅夫，侯克晗，连静



车用电机控制器IGBT驱动板隔离电源优化设计*

周雅夫，侯克晗，连静

（大连理工大学 汽车工程学院 辽宁省节能与新能源汽车动力控制与整车技术重点实验室，辽宁 大连 116024）

反激式开关电源因其高效率、低发热、小体积的优点以及初级次级隔离的特点非常适合于新能源汽车电机控制器IGBT驱动板隔离电源应用。针对电源系统的稳定性问题，采用UC2845B控制器设计该反激式开关电源电路参数，并根据系统稳定性准则对系统的稳定性进行详尽的分析与优化。在Pspice仿真软件下搭建了电路仿真模型，并在交替变化的输入电压下，对电源的稳定性进行仿真。按照英飞凌新一代HybridPACK™ Drive IGBT封装制作了实验样机，并在实验中得到了稳定的直流电压，验证了所设计的驱动电源的稳定性。

开关电源；反激式；UC2845B；Pspice仿真

前言

在经历了十余年的高速发展，我国的新能源汽车行业取得了辉煌的发展成就，新能源汽车的普及以及市场占有率，都大幅度领先于国际水平。但在电机控制器等新能源汽车关键零部件上，我国各汽车企业依然受制于国外零部件供应商。重点研发新能源汽车相关关键零部件已经成为我国零部件企业在“十三五”期间的重要任务，同时这也是制约我国新能源汽车产业发展的瓶颈之一。新能源汽车电机控制器（MCU）主要由逻辑板、IGBT及其驱动板两大部分组成，而IGBT驱动板隔离电源（以下简称驱动电源）则是IGBT驱动板中保障IGBT稳定可靠运行的关键组件之一，对其的优化设计研究有着很重要的意义。

IGBT驱动电源一般都采用隔离型开关电源。开关电源是建立在平均化基础理论上，通过改变开关管占空比从而控制输出电压达到期望值的一种DC-DC变换电源。相比于线性稳压器，它具有极高的效率（可达90%以上）[1]以及较小的体积。采用小体积的高频变压器可以很好的解决IGBT上下桥臂间的电压浮动问题，非常适合用于要求结构紧凑与高效率的新能源汽车电机控制器上。

本文则以英飞凌新一代HybridPACK™ Drive IGBT为应用目标，采用隔离型反激变换拓扑结构，基于成本考虑，采用UC2845B电流模式PWM控制芯片，针对稳定性问题，对变换器各组件参数进行优化设计，在Pspice软件下搭建仿真模型并进行实验验证。

1 基于UC2845B车用IGBT驱动电源设计

1.1 反激变换器拓扑结构原理

反激变换器是一种非常实用的电源拓扑，主要由开关管、高频变压器、输出二极管、输出滤波电容以及脉宽调制器等组成，其基本结构见图1。相比其他使用变压器的电源拓扑，反激变换器的变压器同名端接法相反，在工作的时候其功能更加接近电感原件，初级与次级的安匝比守恒，而不是电压比守恒。

图1 反激变换器基本结构

反激变换器的基本工作原理如下：开关管导通，二极管由于变压器次级同名端反接，处于截止状态，负载的电流由电容提供。此时变压器相当于一个电感，流过初级线圈的电流直线上升，能量存储于初级线圈中。在开关管断开时，输出二极管导通，初级线圈中存储的能量传递到次级线圈中，给负载供电同时给输出电容充电[2-5]。工作时初级与次级线圈中的电流状态见图2，图中p为初级电流，s为次级电流。

图2 反激变换器基本工作状态

1.2 UC2845B周边电路参数设计

图3为UC2845B的内部结构与典型应用图，其内部提供了欠压锁定器、可编程振荡器、误差放大器、电流模式的PWM比较器以及大电流图腾柱式N沟道MOSFET驱动器，能够将输出的最大占空比锁定在50%，保证整个开关电源工作在不连续模式下，以减小所需的高频变压器电感值，从而进一步的减小变压器体积，总而言之是一款很适合本应用的PWM控制器。

图3 UC2845B典型应用电路

英飞凌HybridPACK™ Drive IGBT的单个IGBT驱动功率大致为1.5W，因此驱动半桥的功率在3W左右。为稳定可靠地完成IGBT的导通和关断，需要提供+15/-8V驱动电压，即开关电源需要提供23V的输出电压，本文在乘用车12V电压标准下进行IGBT设计。按照80%的功率进行计算，变压器初级功率可定为4W。按式（1）计算开关管最大导通时间onmax为20μs。留保一定的裕量取PWM最大占空比为45%，确定开关频率为20kHz。

式中onmax为开关管最大导通时间；为开关的周期；o为输出电压；p为初级匝数；sm为次级匝数；dcmin为输入电源的最小电压。

按照式（2）确定初级电感为110μH，则次级电感为668μH。

式中p为初级电感；o为输出功率。

依照式（3）计算初级最大电流为2.5A，故而选取s为0.4 Ω。

式中p为初级最大电流。

图1中T与T是用来对开关频率进行编程，其关系如式（4），设定20kHz左右的开关频率，并考虑到可用电阻，T取5 kΩ，T取10nF。

式中osc为开关频率；T为编程电阻的阻值；T为编程电容的容值。

1.3 系统的稳定性分析

由于IGBT驱动电源一般集成与IGBT驱动板中使用，其输出过压、欠压以及短路状态可以由IGBT驱动芯片的故障反馈得到，经由控制模块处理后断开电源。故此部分电路可以不用考虑，仅需要考虑反馈回路的设计以及系统的稳定性分析，UC2845B本身提供的误差放大器，在电流模式下可以使用如图4所示的简化补偿网络，该补偿网络的配置可以非常方便的完成。

图4 电流式误差放大器补偿网络

补偿网络的参数计算需要与系统稳定性分析结合进行。为使系统保持稳定而不发生震荡，需要系统满足在穿越频率处即零点处的总开环相移要小于315°（包括45°的相位裕量），系统的总开环增益在过零点处的增益（对数坐标）的斜率为-1。进行稳定性分析主要是基于以上两条准则，图4是反激变换器反馈回路的示意图，可以将整个回路拆分为补偿网络和从误差放大器输出ea到输出端的输出o两个部分，保证两部分增益和（对数坐标）的斜率为-1，再校验此时的相移即可完成稳定性分析，得到补偿回路的参数。

图5 反激变换器反馈回路示意图

根据能量守恒原理，初级的能量与次级的能量可得：

式中为负载阻抗。

由图3可知，误差放大器的输出经过两只二极管与一组2:1比例的分压电阻后到达电流检测比较器，一旦电流检测电阻上的电压超过该电压，UC2845B就会关闭开关管，限制初级最大电流，所以初级电流、误差放大器输出与电流采样电阻间满足式（6）关系：

式中ea为误差放大器输出值；s为电流采样电阻阻值；

式中的1.4V为两只二极管的压降，可以理解为对误差放大器输出电压的偏置，不会对增益产生影响，故而可以忽略：

将式（7）带入式（5）可得从误差放大器到的输出端到输出电压的低频增益为：

其传递函数的零极点由下式进行计算：

式中p为传递函数极点频率；z为传递函数零点频率；c为输出滤波电容等效串联电阻值；o为输出滤波电容容值。

利用以上参数可以绘制稳定反馈回路的增益曲线，图4中ABCD则是从误差放大器到的输出端到输出电压的增益曲线。根据采样定理，选取穿越频率为1/5开关频率即4kHz（图中P0），依照系统稳定性准则绘制补偿回路的增益曲线（图中P4P3P2P5），在对其相移进行校核，可计算系统在穿越频率4kHz处的总相移为289.1°完全满足要求。可以取1=10k Ω，=402k Ω，1=200nF。

图6 反馈回路的增益曲线

2 车用IGBT驱动电源Pspice仿真

Pspice是由Spice(Simulation Program with Integrated Cir -cuit Emphasis)发展而来的用于微机系列的通用电路分析仿真程序。

图7 Pspice仿真模型

Pspice软件采用图形化的操作界面，能完成电路的自动检查，不仅可以用于电路原理的设计、仿真、分析和优化，还能够与与Allegro PCB设计软件无缝衔接，可完成电子产品从原理设计、电路仿真到印刷电路板的完全自动化，是最优秀的通用电路仿真软件之一。

图8 输入电压波形

图9 输出电压波形

在Pspice中搭建仿真模型如图7所示，模型中包括UC2845B模型、开关管模型，以及变压器模型，为模拟直流输入电压的波动，而12V车用系统的电压范围是9~16V，适当放宽一些，将输入电压设定为如图8所示的8~20V，50Hz的正弦型电压。输出电压波形如图9所示，可以观察到电压稳定在24V上，满足使用要求。

3 实验

图10 实验样机

按照HybridPACK™ Drive IGBT的封装尺寸，以外置模块的安装方式设计了实验样机（见图10），并在12V系统下进行了实验，实验结果见图11，输出的直流电压稳定，幅值为24V与仿真相符。

图11 实验结果

4 结论

本文介绍了反激变换器基本结构，基于UC2845B，以车用IGBT驱动电源为应用目标，针对稳定性问题，对电路的参数进行优化设计和稳定性分析，在Pspice仿真软件中搭建了仿真模型并进行了仿真，制作了实验样机并在12V系统下进行了实验，方针和实验结果都证明了所设计电源的稳定性能够达到要求。

[1] 尹珑翔,韦雪明,罗和平,蒋丽.一种基于LC振荡器的高效隔离式DC-DC开关电源[J].微电子学,2018,48(06):733-737.

[2] 卢小强,宋昊杰.开关电源的原理与特点分析[J].集成电路应用,2017,34(12):81-82.

[3] 刘俊良,章治国,徐洋.基于MP3213芯片的微型开关电源设计[J].电工技术,2017(12):18-20+33.

[4] 张在涌,谭小燕,赵永瑞,曲韩宾,师翔.一种用于DC-DC开关电源芯片的新型软启动电路[J].半导体技术,2018,43(02):110-114.

[5] 王思聪.开关电源的基本原理与技术发展综述[J].价值工程,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，硕士，教授，大连理工大学，研究方向为汽车电子与控制。

大连市科技创新基金项目（2018J12GX 061）；国家自然科学基金资助项目（No.51775082，No.61473057）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（No.DUT17LAB11）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.029