電動汽車永磁同步電機IGBT驅動系統硬件設計

顧 捷，鄧孝華，葉 萌，李 然，嚴俐慧

(南京工程學院電力工程學院，江蘇南京，211167)

1 引言

電動汽車因具有高效、經濟、環保等優點而成為新能源汽車研究的熱點，永磁同步電機具有高效率、高功率密度而被廣泛用作為電動汽車驅動電機[1]。雖然碳化硅器件具有大功率、耐高溫等優勢，但其成本高，缺少長期運行可靠性評估[2]。目前,IGBT、MOSFET仍是電動汽車驅動器中使用的主流功率器件。為了更好地實現 PMSM的動態性能，采用坐標變換的方法將同步電機等效成直流電機進行控制，把交流電機定子電流矢量進行分解，轉換成兩個按照轉子磁場定向的直流分量id和iq，最終通過對這兩個直流分量的控制實現對 PMSM 轉矩及轉速控制[3,4]。

由于MOSFET結構，通常可以做到電流很大，但耐壓較低[5]；而IGBT導通壓降低，耐壓高，所以適用于高壓大功率場合。本硬件設計驅動10kW的永磁同步電機，故選用IGBT作為功率器件。一般而言，IGBT的正向驅動電壓在15V,而MOSFET在10-12V左右；驅動電壓負壓的作用主要是防止關斷中的功率開關誤導通，同時增加開關速度。因為IGBT具有電流拖尾效應，而且輸入電容比較大，為此選取-9V的關斷電壓。而MOSFET拖尾效應不明顯，不需要選取負的關斷電壓，一般選0V作為關斷電壓。

2 硬件系統設計及原理說明

2.1 三相逆變電路設計

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IGBT串聯構成，IGBT選用1200V、25A的FGA25N120ANTD，以滿足10kW永磁同步電機。

圖1 三相逆變橋

假設電流所有紋波都通過電容，負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為負載電流平均值；D為占空比；TS為PWM周期；Cdc為直流側的電容值。

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

(2)

式中，P為直流側電源輸入功率。

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

2.2 TLP250輸入及輸出電路設計

為保證功率驅動電路與PWM脈寬調制電路的可靠隔離，提高系統的抗干擾能力；另一方面，由于輸出電流較小，對較大功率IGBT驅動時，需要外加功率放大電路，本設計選用TLP250，其內部結構如圖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，電阻值應滿足：

(3)

選取兩個阻值為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；穩壓管1N4744的作用是保證柵源極電壓不超過±15V，起過壓保護作用，如圖5(a)所示；IGBT柵源極之間并聯一個100PF的電容C4來濾除高頻干擾，防止誤導通，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穩壓管1N4739構成分壓電路，1uF電容和47uF電容分別起到穩壓濾波作用。當光耦二極管導通時，8管腳和7管腳導通，柵源極之間電壓為14.9V；當光耦二極管關斷時，7管腳和5管腳導通，柵源極之間電壓為-9.1V。電容C10可以起到穩壓濾波的作用。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Vo為0V時，1N4148使得柵源極之間有-9.1V的關斷電壓,確保IGBT可以迅速關斷，用來快速泄放電荷。

圖6 IGBT驅動電路

2.3 B0524電壓轉換

如圖7所示，B0524S-2WR2電路可將5V的電壓轉化為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一個濾波電容，同時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，當輸入電壓為5V時，并聯4.7uF電容，當輸出電壓為24V時，并聯1uF電容[6]。

三相逆變橋三個上管由三個獨立的24V電源供電，三個下管共用1個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 硬件系統及實驗波形

3.1 電動汽車永磁同步電機IGBT驅動系統硬件

永磁同步電機驅動系統實驗平臺如圖9所示，圖中包括三相IGBT驅動系統、TMS320F28335DSP最小系統、霍爾電流傳感器，驅動功率為750W、轉速3000r/min的永磁同步電機。示波器顯示的電流波形驗證了電機驅動系統能夠正常運行。FGA25N120ANTD、B0524S-2WR2實物照片如圖10(a)、(b)所示。

圖9 永磁同步電機驅動系統實驗平臺

TMS320F28335DSP最小系統板輸出六路PWM信號給TLP250的輸入二極管，經隔離后輸出至IGBT柵源極。根據實驗測試上三管三個B0524-2WR2和下三管一個B0524-2WR2四個DC/DC電源在5V輸入端總電流約380mA，驅動功率約2W，其中包括9.1V穩壓管、TLP250工作電流。如圖10(a)所示，FGA25N120ANTD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的銅導線連接；B0524S-2WR2與最小系統共用一個5V/2A的輸入電源，簡化了系統設計。

(a) (b)

3.2 IGBT驅動電路波形

IGBT驅動波形如下圖11(a)所示，圖中縱坐標每格為5V，門極關斷電壓約為-9V，開通電壓約為14.5V。圖11(b)為電機相電流波形，但是由于磁粉制動器負載、轉矩轉速傳感器、永磁同步電機連接軸心不完全同心，導致電機轉速有波動，使得電機電流有一定的毛刺。

(a) (b)

4 結論

本文基于TMS320F28335DSP進行了永磁同步電機電機控制系統的硬件設計。其中硬件部分包括IGBT驅動電路、TLP250光耦、三相逆變電路、B0524S-2WR2等電路的設計。最后依據實驗結果，設計的硬件電路能實現永磁同步電機三相橋式逆變系統驅動。