電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

顧 捷，鄧孝華，葉 萌，李 然，嚴(yán)俐慧

(南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京，211167)

1 引言

電動(dòng)汽車因具有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而成為新能源汽車研究的熱點(diǎn)，永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度而被廣泛用作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)[1]。雖然碳化硅器件具有大功率、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，但其成本高，缺少長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性評(píng)估[2]。目前,IGBT、MOSFET仍是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器中使用的主流功率器件。為了更好地實(shí)現(xiàn) PMSM的動(dòng)態(tài)性能，采用坐標(biāo)變換的方法將同步電機(jī)等效成直流電機(jī)進(jìn)行控制，把交流電機(jī)定子電流矢量進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)換成兩個(gè)按照轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的直流分量id和iq，最終通過對(duì)這兩個(gè)直流分量的控制實(shí)現(xiàn)對(duì) PMSM 轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速控制[3,4]。

由于MOSFET結(jié)構(gòu)，通?？梢宰龅诫娏骱艽?，但耐壓較低[5]；而IGBT導(dǎo)通壓降低，耐壓高，所以適用于高壓大功率場(chǎng)合。本硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)10kW的永磁同步電機(jī)，故選用IGBT作為功率器件。一般而言，IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓在15V,而MOSFET在10-12V左右；驅(qū)動(dòng)電壓負(fù)壓的作用主要是防止關(guān)斷中的功率開關(guān)誤導(dǎo)通，同時(shí)增加開關(guān)速度。因?yàn)镮GBT具有電流拖尾效應(yīng)，而且輸入電容比較大，為此選取-9V的關(guān)斷電壓。而MOSFET拖尾效應(yīng)不明顯，不需要選取負(fù)的關(guān)斷電壓，一般選0V作為關(guān)斷電壓。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理說明

2.1 三相逆變電路設(shè)計(jì)

三相逆變電路由輸入整流電容Cdc、三相半橋組成[4]，如圖1所示。半橋由2個(gè)IGBT串聯(lián)構(gòu)成，IGBT選用1200V、25A的FGA25N120ANTD，以滿足10kW永磁同步電機(jī)。

圖1 三相逆變橋

假設(shè)電流所有紋波都通過電容，負(fù)載通過的電流值為平均值，則電容電壓及其電流如圖2所示。

圖2 電容電壓及電流波形

(1)

式中，Δudc為電容電壓的變化量；IL為負(fù)載電流平均值；D為占空比；TS為PWM周期；Cdc為直流側(cè)的電容值。

設(shè)ηv=Δudc/Udc(ηv為電容電壓波動(dòng)率、Udc為電容電壓平均值)，則：

(2)

式中，P為直流側(cè)電源輸入功率。

通常情況下，占空比在0.9以內(nèi)。由逆變器工作條件設(shè)，Udc=310V，D=0.84，ηv=1%，P=10kW，TS=200μs，計(jì)算可得：Cdc≥31.7μF。

2.2 TLP250輸入及輸出電路設(shè)計(jì)

為保證功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；另一方面，由于輸出電流較小，對(duì)較大功率IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要外加功率放大電路，本設(shè)計(jì)選用TLP250，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TLP250引腳配置圖

TMS320F28335DSP電平為3.3V，通過查閱資料可知TLP250的輸入二極管電壓典型值為1.6V，由于流入PWM口的拉、灌電流只有4mA[6]，為此在TLP250輸入端接入限流電阻，電阻值應(yīng)滿足：

(3)

選取兩個(gè)阻值為330的限流電阻接入到2、3引腳,這樣輸入電流是2.57mA,為此不需要經(jīng)過緩沖器，如圖4所示。

圖4 TLP250輸入電路

IGBT門極和源極之間接入阻值為10K的電阻R23,用來泄放電荷和消除諧振；穩(wěn)壓管1N4744的作用是保證柵源極電壓不超過±15V，起過壓保護(hù)作用，如圖5(a)所示；IGBT柵源極之間并聯(lián)一個(gè)100PF的電容C4來濾除高頻干擾，防止誤導(dǎo)通，如圖5(b)所示。

(a) (b)

圖6中8管腳和5管腳之間電壓為24V,電阻R13和9.1V穩(wěn)壓管1N4739構(gòu)成分壓電路，1uF電容和47uF電容分別起到穩(wěn)壓濾波作用。當(dāng)光耦二極管導(dǎo)通時(shí)，8管腳和7管腳導(dǎo)通，柵源極之間電壓為14.9V；當(dāng)光耦二極管關(guān)斷時(shí)，7管腳和5管腳導(dǎo)通，柵源極之間電壓為-9.1V。電容C10可以起到穩(wěn)壓濾波的作用。TLP250輸出與門極之間串入22歐姆的電阻R16消除諧振。1N4739 右端電壓為9.1V。當(dāng)Vo為0V時(shí)，1N4148使得柵源極之間有-9.1V的關(guān)斷電壓,確保IGBT可以迅速關(guān)斷，用來快速泄放電荷。

圖6 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

2.3 B0524電壓轉(zhuǎn)換

如圖7所示，B0524S-2WR2電路可將5V的電壓轉(zhuǎn)化為24的電壓輸出，考慮紋波的影響，需要在輸入端和輸出端各并聯(lián)一個(gè)濾波電容，同時(shí)為了保證每一路輸出能夠安全可靠，需要選擇合適的電容，通過查閱資料得到不同輸入輸出電壓下的電容推薦值，當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，并聯(lián)4.7uF電容，當(dāng)輸出電壓為24V時(shí)，并聯(lián)1uF電容[6]。

三相逆變橋三個(gè)上管由三個(gè)獨(dú)立的24V電源供電，三個(gè)下管共用1個(gè)24V的電源，圖8(a)是FGA25N120ANTD IGBT封裝，圖8(b)是B0524S-2WR2 PCB布線圖。

圖7 B0524電路

(a) (b)

3 硬件系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)波形

3.1 電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，圖中包括三相IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、TMS320F28335DSP最小系統(tǒng)、霍爾電流傳感器，驅(qū)動(dòng)功率為750W、轉(zhuǎn)速3000r/min的永磁同步電機(jī)。示波器顯示的電流波形驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。FGA25N120ANTD、B0524S-2WR2實(shí)物照片如圖10(a)、(b)所示。

圖9 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

TMS320F28335DSP最小系統(tǒng)板輸出六路PWM信號(hào)給TLP250的輸入二極管，經(jīng)隔離后輸出至IGBT柵源極。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試上三管三個(gè)B0524-2WR2和下三管一個(gè)B0524-2WR2四個(gè)DC/DC電源在5V輸入端總電流約380mA，驅(qū)動(dòng)功率約2W，其中包括9.1V穩(wěn)壓管、TLP250工作電流。如圖10(a)所示，F(xiàn)GA25N120ANTD采用TO-3P帶雙針鋁制散熱器，逆變器直流輸入、三相逆變輸出電流較大，采用4mm2的銅導(dǎo)線連接；B0524S-2WR2與最小系統(tǒng)共用一個(gè)5V/2A的輸入電源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(a) (b)

3.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路波形

IGBT驅(qū)動(dòng)波形如下圖11(a)所示，圖中縱坐標(biāo)每格為5V，門極關(guān)斷電壓約為-9V，開通電壓約為14.5V。圖11(b)為電機(jī)相電流波形，但是由于磁粉制動(dòng)器負(fù)載、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、永磁同步電機(jī)連接軸心不完全同心，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速有波動(dòng)，使得電機(jī)電流有一定的毛刺。

(a) (b)

4 結(jié)論

本文基于TMS320F28335DSP進(jìn)行了永磁同步電機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。其中硬件部分包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路、TLP250光耦、三相逆變電路、B0524S-2WR2等電路的設(shè)計(jì)。最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)的硬件電路能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)三相橋式逆變系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。