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60KW电机控制器硬件驱动电路设计（可下载）

1695866 2025-03-07 | pdf | 720.01 KB | 次下载 | 免费

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资料介绍

摘要：设计一款 60KW 的电机驱动控制器，产品的功能、性能及成本等都能达到客户的需求，还要在市场上有竞争力。根据客户要求再开发一款中型物流车车用电机控制器，该控制器低压部分电源为输入 12V，高压驱动电路输入是直流 360V

输出交流有效值约 250V，功率 60KW，效率>95%。在控制电路和驱动电路上做了一些优化，超过了预期的设计目标要求

关键词：控制器；IGBT；新能源；旋变解码芯片

1.引言

由于有了“15KW 电机控制器”上个项目经验，产品的功能、性能及成本等都能达到客户的需求市场表现也比较优越，还为公司争取到了不错的名声和积累了一些宝贵的关键技术。根据客户要求

再开发一款中型物流新能源车车用电机控制器，该控制器低压部分电源为输入 12V，高压驱动电路输入是直流 360V,输出交流有效值约 250V，功率 60KW，效率>95%。无疑该项目难度比 15KW 电机控制器难度大。针对该项目的设计需求，本人在原有的“15KW 电机控制器”基础上进行技术上的改进等等，最终达到客户的需求和市场的认可

2.关键技术

2.1 驱动电路 IGBT 模块化，减小寄生参数、实现均流平衡技术

为了能够使电机控制器达到输出功率 60KW，用 IGBT 单管并联方案很难达到设计指标本人在方案上采用了 IGBT 模块化技术。常用的 IGBT 并联方案是输入并联，输出也并联但是它的问题比较多，如：

1、IGBT 的寄生参数太大，大功率时不可忽略，增加了设计与生产成本

2、并联方案的均流技术不好实现或很难实现，假设 A 和 B IGBT,流过 A 的电流很少

流过 B 的电流较大，长时间工作 B 号 IGBT 烧坏的可能性远远增大，使整车风险性增加

本项目采用的是驱动 IGBT 模块化方案：三项六桥臂加上 NTC 温度采样。该方式的优点是：

1、IGBT 寄生参数大大减小

2、不存在均流问题

3、晶圆旁边或内部集成了 NTC 温度采样，IGBT 保护更齐全、更安全

4、驱动电路更安全、更简单。从图 2 和图 4 可以看出需要注意的问题：

1、分立器件插件器件特别多，贴片后需要波峰焊，贴片工艺难度增大，成本增加

2、分立器件散热结构件比较复杂，装配难度增加。

3、分立器件寄生参数比较大，PCB LAYout 布局等等比较复杂

耐压、电流、高压隔离、驱动能力、EMI 问题都要考虑进去，布线更难

4、由于器件比较多，特别插件器件多，低压信号和高压信号不能更好的隔离

布线难度增加，插件器件多导致散热主要通过控制器壳体进行散热，控制器结构难度增加

图 1 为三个英飞凌单管（型号：IGBTFGY120T65SPD-F085）并联方案，

它们为电机 H 桥驱动电路三项六桥臂的其中一个桥臂，此方案的优点：

1、价格便宜 2、体积小 3、市场竞争力大

缺点：

1、各单管 IGBT 均流问题不好解决，很容易导致某个管子过电流过大而烧坏，导致整个驱动系统被烧坏出现异常

2、寄生参数比较多，比如寄生电容、寄生电感等等，由于这些寄生参数 IGBT 续流二极管和 Vce 的尖峰电压

不得不考虑进去，这些寄生参数很容易导致 IGBT 失效

3、支撑 IGBT 的结构体设计比较复杂，生产组装工序复杂，测试比较繁琐，量产效率比较低

4、分立的 IGBT 共需要 18 个,PCBlayout 布局比较复杂，layout 考虑的因素非常多

图 3 为用英飞凌 IGBT 集成模块（HPDrive）搭建的电机 H 桥驱动电路，此方案设计实施的优点为：

1、集成化比较高，一个模块自带 H 桥的三项六桥臂即 6 各 IGBT 集成在一体并且晶圆自带 NTC 负温度系数的热敏电阻可以时刻侦测 IGBT 晶圆内部的温度。由于集成度较高，使得驱动电路设计更简单方面；控制器散热更优越，体积更小为其他整车部件预留更多的空间，如：BMS、DCDC、高压配电柜等等

2、寄生参数比较小，几乎不受本体寄生参数的影响，如寄生电容、寄生电感等等。进一步减小驱动电路设计难度较小的成本实现强大稳定的功能，更容易实现稳定、安全、可靠的电机驱动电路

3、Ic 持续通电流能力比较大可以达到 450A,CE 两端的电压可以达到 650V可以同时满足新能源乘用车、小型物流车、甚至重卡的需求，即一款控制器电路可以匹配多种功率的电机大大缩短新项目研发、调试、试验、生产等周期。由于不同款的控制器用的器件、结构件基本相同仓库物料管理也会更简单，更容易管控成本，市场竞争力也会更强

4、散热问题比较容易解决，IGBT 背面自带集成散热片，可以直接扣在控制器外壳的水槽内散热不需要做特殊的处理，直接利用整车的现有冷却液散热就可以

5、IGBT 集成度高 PCBlayout 布局比较容易，layout 考虑点减少

6、交流 2.5KV 的绝缘强度，高功率的密度，做绝缘处理的铜底板

2.2 驱动电路 IGBT 短路保护功能技术

下图 5 所示，当 IGBT 短路过流时，驱动芯片的 3pin Desat 会提供一个恒流源，经过电阻 R300高压隔离二极管 D300,在经过 IGBT 的 CE 流经到驱动芯片的 4pinGND。直到 IGBT 的 Vce 管压降到 9v 时此时对去饱和电容进行充电到 9v，芯片内部会做封波处理以保护 IGBT 防止因为短路过流过热而烧坏晶圆当去包和电容 C300 升高到 9v 时，驱动芯片 7pin 输出为低电平，通过三极管搭建的推挽短路上 N 管 Q300 和下 P 管 Q301,去关闭 IGBT。这时，驱动芯片 16pin FLT 故障输出低电平被激活，送到单片机处理反馈到新能源整车的 VCU 做下一个动作的处理。驱动芯片输出 16Pin （FLT）输出低电平即封波，此时 IGBT 关闭硬件电路设计去饱和电容 C300 驱动芯片消隐时间用来为 IGBT 从放大到饱和预留出足够的时间

消隐时间是由驱动芯片内部一个高精度的电流源和外部电容 C300 提供的。这个技术的应用保护了控制器即新能源汽车的核心器件 IGBT 不被烧坏，为整车的安全稳定运行提供了保障