CN105958801A

CN105958801A - 电动汽车电机驱动器用ipm前置驱动电路

Info

Publication number: CN105958801A
Application number: CN201610376526.9A
Authority: CN
Inventors: 金宁治; 邢桢林; 王旭东
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: CN105958801B

Abstract

电动汽车电机驱动器用IPM前置驱动电路。引入前端升降压电源模块能够保证在宽输入电压范围内输出电压的稳定性，每个智能功率模块匹配以独立的相同结构的开关电源模块，当其中一组损坏时，无需维修、更换它组及整体，适用于1个、2个及多个智能功率模块组成的功率变换电路。本发明的组成包括：汽车电源总线（1）与前端升降压电源模块（2）电联接，前端升降压电源模块与3个全桥式开关电源模块（3）电联接，3个全桥式开关电源模块分别与2个光耦隔离驱动电路（4）的输出供电端电联接，每2个光耦隔离驱动电路与1个智能功率模块（5）电联接。本发明用于电动汽车电机驱动器用IPM前置驱动电路。

Description

电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路

技术领域：

本发明涉及一种电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路。

背景技术：

在传统汽车和部分混合动力汽车中， 12V 蓄电池的电压随着汽车工况的变化而变化，即汽车启动时蓄电池电压被拉低至 7V 或以下，发动机高速运转时蓄电池电压被充高至 15V 或以上。为了保证各种车载电器供电电压的稳定，需要在蓄电池与用电设备之间引入升降压电源模块，以保证当蓄电池的输出电压在宽范围内（ 6-18V ）变化时，用电设备的供电电压始终维持在 12V ，前端电源模块必须采用内含集成开关的低成本稳压芯片实现，然而市面上几乎没有芯片能够同时实现升降压变换并满足电机驱动器弱电部分的供电要求（ 2A 以上）。现在采取的流行的解决方案有以下两种：（ 1 ）先升压再降压，对电压进行两级转换，但电源效率低；（ 2 ）升压降压并联，通过判断是升压还是降压在两个电路之间进行切换，然而在输入输出电压差较小（ 2-3V ）时，两个电路均不能有效工作。

电动汽车电机驱动器用智能功率模块（ IPM ）前置驱动电路的供电质量，直接影响 IGBT 的开关特性，进一步影响到电机驱动器甚至电动汽车系统的整体性能。电动汽车牵引用三相交流电机通常采用 IGBT 组成的三相桥式电压型逆变器驱动。该逆变器的前置驱动电路需要多路相互隔离的直流电源，以满足其中 6 个 IGBT 的栅极驱动要求。在工程实际中，为了降低开发、调试及维修成本，通常采用 3 个智能功率模块组成三相桥式逆变器，其中 IGBT 前置驱动电路的电源匹配方案有以下两种：（ 1 ）采用单个高频变压器组成开关电源，其高频变压器具有 4 个次级绕组，可以同时生成 4 路相互隔离的直流电源，其中 3 路分别驱动上桥臂 3 个 IGBT ，其余 1 路同时驱动下桥臂 3 个 IGBT ；（ 2 ）为每个智能功率模块匹配独立的开关电源，每个开关电源的高频变压器具有 2 个次级绕组，可以输出 2 路相互隔离的直流电源，以驱动本组上、下桥臂 2 个 IGBT 。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，其组成包括：汽车电源总线，所述的汽车电源总线与前端升降压电源模块电联接，所述的前端升降压电源模块与 3 个全桥式开关电源模块电联接， 3 个所述的全桥式开关电源模块分别与 2 个光耦隔离驱动电路的输出供电端电联接，每 2 个所述的光耦隔离驱动电路与 1 个智能功率模块电联接，同时所述的前端升降压电源模块与光耦输入侧稳压器电联接，所述的光耦输入侧稳压器与所述的光耦隔离驱动电路的输入供电端电联接。

所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的全桥式开关电源模块和所述的光耦隔离驱动电路具有相同的结构。

所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的全桥式开关电源模块包括全桥逆变电路，所述的全桥逆变电路与高频变压器电联接，所述的高频变压器与 2 个输出整流分压电路电联接， 2 个所述的输出整流分压电路分别与 1 个所述的光耦隔离驱动电路电联接，同时所述的前端升降压电源模块与开关信号生成电路电联接，所述的开关信号生成电路与栅极驱动电路电联接，所述的栅极驱动电路与所述的全桥逆变电路电联接。

本发明的有益效果：

本发明涉及一种能够驱动多个智能功率模块的具有 2 路光耦隔离式前置驱动输出相互独立的四路直流电压并产生负关断电压的开关电源。引入了 SEPIC 型前端升降压电源模块，并采用内含 4A 集成开关的低成本稳压芯片 XL6009 ，不仅输入电压范围宽（ 6-18V ），带载能力强（ 2A 以上），而且电路集成度高、成本低、性价比高，适用于电动汽车电机驱动器前置驱动电路，能够保证在宽输入电压范围内输出电压的稳定性。

本发明每个IPM匹配以独立的具有相同结构的全桥式开关电源模块，每个开关电源模块和每 2 个光耦隔离驱动电路匹配一个智能功率模块，当其中一组损坏时，无需维修、更换它组及整体，降低了开发、维护成本，不仅适用于 3 个智能功率模块组成的三相桥式逆变电路，也同样适用于 1 个、 2 个及多个智能功率模块组成的其它形式的功率变换电路。

本发明当蓄电池电压在 6-18V 范围内波动时，前端升降压电源模块的输出电压始终稳定在 12V ，降低了输入电压波动对全桥式开关电源模块的输出稳定性造成的不良影响，因此只需要利用简单的比较器、逻辑门，生成具有固定占空比的开关信号，即可驱动所述的全桥式开关电源模块的全桥逆变电路，省去了输出电压反馈和占空比控制芯片。每个全桥式开关电源模块的输出整流分压电路能够输出 -5V 负电压，以提高大功率 IGBT 的关断速度，无需自举电路或负电压稳压芯片。

附图说明：

附图 1 是本发明的结构示意图。

附图 2 是本发明前端升降压电源模块的原理图。

附图 3 是本发明全桥式开关电源模块的结构示意图。

附图 4 是本发明光耦隔离驱动电路的原理图。

附图 5 是本发明全桥逆变电路和高频变压器的原理图。

附图 6 是本发明输出整流分压电路的原理图。

附图 7 是本发明开关信号生成电路的原理图。

附图 8 是本发明栅极驱动电路的原理图。

具体实施方式：

实施例 1 ：

一种电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，其组成包括：汽车电源总线 1 ，所述的汽车电源总线与前端升降压电源模块 2 的 6-18VDC 端电联接，所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端与 3 个全桥式开关电源模块 3 电联接， 3 个所述的全桥式开关电源模块分别与 2 个光耦隔离驱动电路 4 的输出供电端电联接，每 2 个所述的光耦隔离驱动电路与 1 个智能功率模块 5 电联接，同时所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端与光耦输入侧稳压器 6 电联接，所述的光耦输入侧稳压器的 +5VDC 端与所述的光耦隔离驱动电路的输入供电端电联接。

实施例 2 ：

根据实施例 1 所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，其所述的全桥式开关电源模块和所述的光耦隔离驱动电路具有相同的结构。

实施例 3 ：

根据实施例 1 或 2 所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的全桥式开关电源模块包括全桥逆变电路 7 ，所述的全桥逆变电路与高频变压器 8 电联接，所述的高频变压器与 2 个输出整流分压电路 9 电联接， 2 个所述的输出整流分压电路的 20VDC 端分别与 1 个所述的光耦隔离驱动电路电联接，同时所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端与开关信号生成电路 10 电联接，所述的开关信号生成电路的 VT1-VT4 端与栅极驱动电路 11 电联接，所述的栅极驱动电路的 VTP1-VTP4 端与所述的全桥逆变电路电联接。

实施例 4 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的前端升降压电源模块包括电容 C1 、电阻 R1 、电阻 R2 、共模扼流圈 L1 、 TVS D1 、电容 C2 、 XL6009 芯片 U1 、耦合电感 L2 、电容 C3 、二极管 D2 、电阻 R3 、电阻 R4 、电容 C4 和电容 C5 ，所述的汽车电源总线的 PWR+ 端连接电容 C1 的 + 端、电阻 R1 的一端和共模扼流圈 L1 的 1 脚，所述的电阻 R1 的另一端连接共模扼流圈 L1 的 2 脚、 TVS D1 的 K 极、电容 C2 的 + 端和 XL 6009 芯片 U1 的 4 脚，所述的汽车电源总线的 PWR- 端连接电容 C1 的 - 端、电阻 R2 的一端和共模扼流圈 L1 的 3 脚，所述的电阻 R2 的另一端连接共模扼流圈 L1 的 4 脚、 TVS D1 的 A 极、电容 C2 的 - 端和 XL 6009 芯片 U1 的 1 脚，所述的 XL 6009 芯片 U1 的 4 脚连接耦合电感 L2 的 1 脚，所述的耦合电感 L2 的 2 脚连接 XL 6009 芯片 U1 的 3 脚和电容 C2 的一端，所述的电容 C2 的另一端连接耦合电感 L2 的 3 脚和二极管 D2 的 A 极，所述的二极管 D2 的 K 极、电阻 R3 的一端、电容 C4 的 + 端和电容 C5 的一端连接为所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端，所述的电阻 R3 的另一端连接电阻 R4 的一端和 XL 6009 芯片 U1 的 5 脚，同时所述的 XL 6009 芯片 U1 的 1 脚、耦合电感 L2 的 4 脚、电阻 R4 的另一端、电容 C4 的 - 端和电容 C5 的另一端连接地。

实施例 5 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的光耦隔离驱动电路包括光耦 HCPL-316J U8 、电容 C26 、电容 C27 、电容 C28 、电容 C29 、电容 C30 、电容 C31 、电阻 R19 、电阻 R20 、电阻 R21 、电阻 R22 、电阻 R23 、电阻 R24 、电阻 R25 、电阻 R26 、电阻 R27 、晶体管 Q2 、快恢复二极管 D13 、稳压管 D14 、稳压管 D15 、稳压管 D16 、晶体管 ZDT6790 U9A 和晶体管 ZDT6790 U9B ，所述的光耦隔离驱动电路的控制端口连接控制器的脉宽调制信号 PWM1 端、报警信号 GPIOA15 端、复位信号 GPIOD1 端和 +3.3V 端，所述的光耦输入侧稳压器的 +5VDC 端连接电容 C26 的一端，电容 C26 的另一端连接地，所述的光耦 HCPL-316J U8 的 VIN+ 端连接所述的脉宽调制信号 PWM1 端，所述的光耦 HCPL-316J U8 的 VIN- 端连接地，所述的光耦 HCPL-316J U8 的 /FAULT 端连接所述的复位信号 GPIOD1 端、电阻 R18 的一端和电容 C27 的一端，所述的电阻 R18 的另一端连接所述的 +3.3V 端，电容 C27 的另一端接地，所述的光耦复位信号 GPIOD1 端连接电阻 R19 的一端，所述的电阻 R19 的另一端连接晶体管 Q2 的 B 极，所述的晶体管 Q2 的 C 极连接电阻 R20 的一端、电容 C28 的一端和光耦 HCPL-316J U8 的 /RESET 端，所述的电阻 R20 的另一端连接所述的 +5VDC 端，所述的电容 C28 的另一端、晶体管晶体管 Q2 的 E 极连接地。

所述的光耦 HCPL-316J U8 的 VCC2 端、 VC 端、电容 C30 的一端和晶体管 ZDT6790 U9A 的 C 极连接所述的输出整流稳压电路的 +15VDC-1 端，所述的电容 C30 的另一端、电容 C29 的一端、稳压管 D14 的 K 极连接所述的输出整流稳压电路的 PGND-1 端，所述的电容 C29 的另一端、稳压管 D14 的 A 极连接光耦 HCPL-316J U8 的 DESAT 端和电阻 R21 的一端，所述的电阻 R21 的另一端连接快恢复二极管 D13 的 A 极，所述的快恢复二极管 D13 的 K 极连接所述的智能功率模块的一个 IGBT 的 C 极，所述的光耦 HCPL-316J U8 的 VOUT 端连接电阻 R22 的一端、电阻 R23 的一端和电阻 R24 的一端，所述的电阻 R24 的另一端、光耦 HCPL-316J U8 的 VEE 端、电容 C31 的一端和晶体管 ZDT6790 U9B 的 C 极连接所述的输出整流稳压电路的 -5VDC-1 端，所述的电阻 R22 的另一端连接晶体管 ZDT6790 U9A 的 B 极，所述的电阻 R23 的另一端连接晶体管 ZDT6790 U9B 的 B 极，所述的晶体管 ZDT6790 U9A 的 E 极连接电阻 R25 的一端，所述的晶体管 ZDT6790 U9B 的 E 极连接电阻 R26 的一端，所述的电阻 R25 的另一端、电阻 R26 的另一端、电阻 R27 的一端和稳压管 D15 的 A 极连接所述的智能功率模块的一个 IGBT 的 G 极，所述的稳压管 D15 的 K 极连接所述的稳压管 D16 的 A 极，所述的稳压管 D16 的 K 极、电阻 R27 的另一端、所述的电容 C31 的另一端和所述的智能功率模块的一个 IGBT 的 E 极连接所述的输出整流稳压电路的 PGND-1 端。

实施例 6 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的全桥逆变电路包括电容 C13 、电容 C14 、 P 型 MOSFET U6B 、 N 型 MOSFET U6A 、 P 型 MOSFET U7B 、 N 型 MOSFET U7A 、隔直电容 C15 和高频变压器 T1 ，所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端连接电容 C13 的一端和电容 C14 的一端，所述的电容 C13 的另一端和电容 C14 的另一端接地，所述的 P 型 MOSFET U6B 、 N 型 MOSFET U6A 、 P 型 MOSFET U7B 和 N 型 MOSFET U7A 的 G 极分别连接所述的栅极驱动电路的 VTP1-VTP4 端，所述的 P 型 MOSFET U6B 和 P 型 MOSFET U7B 的 D 极连接所述的 +12VDC 端，所述的 P 型 MOSFET U6B 的 S 极连接所述的 N 型 MOSFET U6A 的 D 极，所述的 P 型 MOSFET U7B 的 S 极连接所述的 N 型 MOSFET U7A 的 D 极，所述的 N 型 MOSFET U6A 和 N 型 MOSFET U7A 的 S 极连接地，所述的 P 型 MOSFET U6B 的 S 极连接隔直电容 C15 的一端，所述的隔直电容 C15 的另一端连接至所述的高频变压器的初级绕组的一端，所述的高频变压器的初级绕组的另一端连接所述的 P 型 MOSFET U7B 的 S 极，所述的高频变压器的 2 个次级绕组分别连接 2 个输出整流分压电路。

实施例 7 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的输出整流分压电路包括整流二极管 D3 、整流二极管 D4 、整流二极管 D5 、整流二极管 D6 、电容 C16 、电阻 R16 、 5V 稳压管 D7 、电容 C14 、电容 C15 、电容 C16 和电容 C17 ，所述的高频变压器的 1 个次级绕组端连接所述的输出整流分压电路，所述的输出整流分压电路的 20VDC-1 端、连接所述的光耦隔离驱动电路，所述的 20VDC-1 端包括 +15VDC-1 端、 PGND-1 端和 -5VDC-1 端。

实施例 8 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的开关信号生成电路包括比较器 U2B 、电容 C6 、电容 C7 、电阻 R5 、电阻 R6 、电阻 R7 、电阻 R8 、电阻 R9 、非门 U3 、电容 C8 、二极管 Q1A 、电阻 R10 、电容 C9 、二极管 Q1B 、电阻 R11 和电容 C10 ，所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端连接所述的电阻 R5 的一端，所述的电阻 R5 的另一端连接电阻 R6 的一端、电阻 R8 的一端和比较器 U2B 的 5 脚，所述的电阻 R6 的另一端连接地，所述的电阻 R8 的另一端连接所述的电阻 R9 的一端、电阻 R7 的一端和比较器 U2B 的 7 脚，所述的电阻 R9 的另一端连接所述的 +12VDC 端，所述的电阻 R7 的另一端连接比较器 U2B 的 6 脚和电容 C7 的一端，所述的电容 C7 的另一端连接地。所述的比较器 U2B 的 7 脚连接所述的非门 U3 的 3 脚，所述的非门 U3 的 2 脚连接电阻 R10 的一端和二极管 Q1A 的 K 极，所述的电阻 R10 的另一端连接所述的二极管 Q1A 的 A 极、电容 C9 的一端和非门 U3 的 5 脚，所述的电容 C9 的另一端连接地，所述的非门 U3 的 2 脚连接电阻 R11 的一端和二极管 Q1B 的 A 极，所述的电阻 R11 的另一端连接所述的二极管 Q1B 的 A 极、电容 C10 的一端和非门 U3 的 7 脚，所述的电容 C10 的另一端连接地，所述的非门 U3 的 4 脚连接所述的非门 U3 的 11 脚，所述的非门 U3 的 6 脚连接所述的非门 U3 的 9 脚，所述的非门 U3 的 4 脚、 6 脚、 10 脚、 12 脚分别连接 VT1-VT4 端，所述的 VT1-VT4 端连接所述的全桥逆变电路。同时所述的比较器 U2 的 8 脚、非门 U3 的 1 脚、电容 C6 的一端和电容 C8 的一端连接所述的 +12VDC 端，电容 C6 的另一端、电容 C8 的另一端连接地。

实施例 9 ：

根据实施例 1-3 之一所述的电动汽车电机驱动器用 IPM 前置驱动电路，所述的栅极驱动电路包括 ADP3654 芯片 U4 、电容 C11 、电阻 R12 、电阻 R13 、 ADP3654 芯片 U5 、电容 C12 、电阻 R14 和电阻 R15 ，所述的开关信号生成电路的 VT1-VT4 端分别连接所述的 ADP3654 芯片 U4 的 4 脚、 2 脚和所述的 ADP3654 芯片 U5 的 4 脚、 2 脚，所述的 ADP3654 芯片 U4 的 5 脚、 7 脚和所述 ADP3654 芯片 U5 的 5 脚、 7 脚分别连接所述的电阻 R12 、电阻 R13 、电阻 R14 、电阻 R15 的一端，所述的电阻 R12 、电阻 R13 、电阻 R14 、电阻 R15 的另一端连接所述的全桥逆变电路的 VTP1-VTP4 端，同时所述的 ADP3654 芯片 U4 的 6 脚、 ADP3654 芯片 U5 的 6 脚、电容 C11 的一端和电容 C12 的一端连接所述的前端升降压电源模块的 +12VDC 端，所述的 ADP3654 芯片 U5 的 3 脚、 ADP3654 芯片 U4 的 3 脚、电容 C11 的另一端和电容 C12 的另一端连接地。

Claims

1.一种电动汽车电机驱动器用IPM前置驱动电路，其组成包括：汽车电源总线，其特征是：所述的汽车电源总线与前端升降压电源模块电联接，所述的前端升降压电源模块与3个全桥式开关电源模块电联接，3个所述的全桥式开关电源模块分别与2个光耦隔离驱动电路的输出供电端电联接，每2个所述的光耦隔离驱动电路与1个智能功率模块电联接，同时所述的前端升降压电源模块与光耦输入侧稳压器电联接，所述的光耦输入侧稳压器与所述的光耦隔离驱动电路的输入供电端电联接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电机驱动器用IPM前置驱动电路，其特征是：所述的全桥式开关电源模块和所述的光耦隔离驱动电路具有相同的结构。

3.根据权利要求1或2所述的电动汽车电机驱动器用IPM前置驱动电路，其特征是：所述的全桥式开关电源模块包括全桥逆变电路，所述的全桥逆变电路与高频变压器电联接，所述的高频变压器与2个输出整流分压电路电联接，2个所述的输出整流分压电路分别与1个所述的光耦隔离驱动电路电联接，同时所述的前端升降压电源模块与开关信号生成电路电联接，所述的开关信号生成电路与栅极驱动电路电联接，所述的栅极驱动电路与所述的全桥逆变电路电联接。