CN105958801B

CN105958801B - 利用ipm前置驱动电路的电动汽车电机驱动器

Info

Publication number: CN105958801B
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: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: CN105958801A

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

利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器

技术领域

本发明涉及一种利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器。

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利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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。

所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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。

所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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

一种利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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XL6009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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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MOSFETU7B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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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之一所述的利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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

1.一种利用IPM前置驱动电路的电动汽车电机驱动器，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；

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。