电动汽车用开关磁阻电机驱动系统的设计

Ｄ。。＝矿羔一热＝ｏ．５ 从而得到最大占空比为：
４．２．４开通时间ｔ。的计算 首先确定开关电源功率开关器件的工作频率。
若工作频率小于２０ ｋＨｚ进入音频范围则噪声较 大，纹波增大。若开关频率较高时，开关损耗增大， 系统效率降低。因此确定工作频率时要折衷考虑， 实际选择工作频率为３０ ｋＨｚ。开关周期为：
ｃ．尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作 效率。
ｄ．足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电 路与栅极驱动电路隔离。
《机械与电子｝２００９（７）
万方数据
ｅ．具有灵敏的过流保护能力。 功率变换器所采用ＩＧＢＴ型号为 ＢＳＭ２００ＧＢｌ２０ＤＬＣ，基于上述要求及产品特性，本 系统ＩＧＢＴ驱动电路的参数做如下选择：
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＧＢＴ；ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ； Ｍ５７９６２Ｌ，ｓｉｔｃｈｅｄ ｐｏｗｅｒ
Ｏ 引言
电动汽车一般以铅酸电池或锂电池为动力源， 受电池容量的影响，要提高电动车续航里程就必须 采用高效节能的电机调速系统。开关磁阻电机是近 年来发展较快的一种新型调速电机，其节能效果好、 调整范围宽、坚固耐用，已应用于电动汽车。
摘要：设计了一种电动汽车用开关磁阻电机的 驱动系统，论述了基于Ｍ５７９６２Ｌ的ＩＧＢＴ驱动电路 和电动汽车控制系统用开关电源的设计。实验结果 表明，所设计的ＩＧＢＴ驱动电路驱动信号波形理想， 可快速有效地开通关断ＩＧＢＴ；系统供电电源输出 电压纹波小，工作稳定。
关键词：ＩＧＢＴ；开关磁阻电机；Ｍ５７９６２Ｌ；开关 电源
１３、１４脚；由开关电源输出２４ ＶＤＣ给驱动系统供 电，经１５ Ｖ稳压二极管Ｄ１和Ｒ－给电解电容Ｃ１分 压１５ Ｖ，ｃ２分压９ Ｖ。当Ｍ５７９６２Ｌ内开关管Ｔ１导 通、Ｔ２关断时（如图３所示），Ｃ１通过Ｔ１、Ｒ２给ＩＧ— ＢＴ的的Ｇ、Ｅ间加１５ Ｖ电压；当Ｔ１关断、Ｔ２导
通，ｃ２通过Ｔ２、Ｒ：、Ｄ８给ＩＧＢＴ的Ｇ、Ｅ问加一９ Ｖ
中图分类号：ＴＮ７０２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：ｉ００１—２２５７（２００９）０７—００３０一０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｍ５７９６２Ｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｅｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒ— ｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ＩＧＢＴ ｃａｎ ｂｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｐｏｗｅｒ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌＯＷ ｒｉｐｐｌｅ．
实际中取为９０ Ｗ。 ４．２．２磁芯的选择
对于２０～１５０ Ｗ的小功率开关电源，可采用 Ｅ１３３型磁芯，磁芯有效截面积Ａ。一１１８ ｍｍ２，窗口 面积为Ａ。＝１３４ ｍｒｆｌ２。１００＂Ｃ时饱和磁通密度为 Ｂｓ＝３９０ ｍＴ。使用时为防止出现磁饱和，磁通密度 变化率ＡＢ取饱和磁通密度Ｂ。的６５％左右，即有：
门极正偏电压＋Ｋｅ的推荐值为＋１５ Ｖ，变动
范围为１０％，本设计中取为＋１６ Ｖ，主要考虑开关 磁阻电机不对称半桥功率主电路不存在ＩＧＢＴ贯穿 短路现象，同时可以减小导通损耗和开关损耗，并保 证导通可靠性；门极反偏电压的推荐值在一１５～一５ Ｖ之间，电源变动应在１０％的范围内，为可靠关断， 这里负偏压选择为一９ Ｖ；Ｒ。为模块内部的门极电 阻。对于本设计中所使用的ＢＳＭ２００ＧＢｌ２０ＤＬＣ， 尺。为２．５ Ｑ，Ｒ。产品推荐４．７ Ｑ；在不对称半桥拓 扑结构中，开关磁阻电机的各相绕组都是串联在单 个桥臂上的。如图１所示每个桥臂的上下两个管子 不存在上下贯穿短路的现象，所以上下两管的驱动 信号之间不需要设置死区时间。
ＶＭＯＳ管选用耐压１ １００ Ｖ、电流６ Ａ的场效 应管６Ｎ１１０。为了保证开关元件在快速开关过程中 不产生过大的漏感尖峰电压，采用Ｃ８，Ｒ∽Ｄ１组成 的ＲＣＤ缓冲电路来抑制。缓冲电路二极管Ｕ选 用超快速恢复二极管ＢＹＶ２６。Ｒ８，Ｒ。和稳压管 Ｄｌｌ用来限制栅极电压和电流，进而限制ＶＭＯＳ管 开关速度，有利于改善电磁兼容性。
＋１５ Ｖ电源和一１５ Ｖ电源是控制电路电源， 精度要求较高，但因为共用同一个变压器很难通过 ＰＷＭ实现反馈控制来稳压。为获得高品质的控制 电源，应用线性稳压芯片７８１５和７９１５如图４所示 构成了复合式开关稳压电源。为防止输出在轻载或 空载时的电压升高，在５ Ｖ整流输出端并联一只 １００ Ｑ的负载电阻。 ４．２变压器设计
７．５ ｋＱ电阻Ｒ。ｚ，Ｒ。。和２ ｋＱ电位器ＲＰｌ分压，获 得输出电压信号。此信号经可调稳压管ＴＬ４３１产 生偏差信号，再经光电隔离加到ＵＣ３８４２的误差放
大器和基准电压比较形成电压外环。原边电流检测
· ３】 ‘
万方数据
电阻为Ｒ。。。经Ｒ。，，Ｃ４滤波作为电流反馈输入３８４２ 的３脚和电压误差放大器的输出作比较从而控制 ＶＭＯＳ管的开通与截止。原边电流检测控制方式 保证了很好的负载调整率和响应时间；通过调整电 压反馈参数，使ＴＰ５２１和ＴＬ４３１工作在线性工作 区，就可以实现很好的电压调整率，电压波动范围很 容易控制在５％的范围，符合ＩＧＢＴ驱动要求。
Ｔ＝÷２赤一３３．３３弘ｓ
原边绕组开关管的最大导通时间对应在最低输 入电压和最大负载时发生。也就是在最大占空比时 的开通时间，计算如下：
￡～。一Ｄｍ。Ｔ＝０．５×３３．３３—１６．６７ Ｆｓ
４．２．５原边匝数计算 因为作用电压是一个方波，一个导通期间的伏
胪Ｎ，＝撬誉黼＝８６匝 秒值与原边匝数Ｎ。的关系为：
５ Ｖ电源电流取为０．５ Ａ；士１５ Ｖ电源电流取 １ Ａ；＋２４ Ｖ用于ＩＧＢＴ驱动模块Ｍ５７９６２Ｌ供电， 其功率为５ Ｗ，６路共为３０ Ｗ；反馈供电＋５ Ｖ电源 电流取为０．５ Ａ，则总功率为７０ Ｗ，设开关电源效 率为８０％，则变压器传输的功率为：
Ｄ
Ｐｏ＝｝‰一８７．５ Ｗ Ｕ－ＯＶ
· ３２·
３ ＩＧＢＴ驱动电路的设计
考虑到驱动的可靠性和系统向更大功率等级扩
展，设计了基于Ｍ５７９６２Ｌ的高速ＩＧＢＴ驱动电
路［２］，如图２所示。
置砷黜牛Ｇ 彗嘉听量 Ｄ１ １５ Ｖ ■
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：叫甲ｃＩ ６Ｒ。 焉－－－．Ｔ６－－－Ｈ－－－一１１墨－４』５卜］１－－－－－常－＋－－ｃ２－－
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图２基于Ｍ５７９６２Ｌ的ＩＧＢＴ驱动电路 控制系统输出的驱动信号经Ｒ，。、Ｒ，。输入至
２ ＩＧＢＴ驱动电路的要求
驱动电路［１３的作用是将控制系统中单片机输出 的脉冲进行功率放大，以驱动ＩＧＢＴ保证其可靠工 作，因此驱动电路在整个系统中起着至关重要的作 用。对ＩＧＢＴ驱动电路的基本要求如下：
ａ．提供适当的正向和反向输出电压，使ＩＧＢＴ 可靠的开通和关断。
ｂ．提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使ＩＧ— ＢＴ能迅速建立栅控电场而导通。
４ 驱动用开关稳压电源设计
４．１ 开关电源基本电路 由于本设计中电动汽车的动力源是铅酸电池，
因此其整车控制系统和电机驱动系统所需电源只能
由电池组电压经ＤＣ／ＤＣ变换得来，开关电源的输
出包括４路＋２４ Ｖ（变换器上管各用１路，下３管共
用１路），共地的＋１５ Ｖ，一１５ Ｖ，＋５ Ｖ，具体电路
如图４所示。
Ｆｕｓｅ
ＤＩＯ
凡
Ｒ。Ｗｌ
．１－１５Ｖ
三簖 Ｄｌ ％ 一斟惦百Ｈ却娟 畸一上；屿崦忑甲趣俨
－１５ Ｖ
—旦‰—ｒ＋２４ ｖ
｛ｗ６ ｃｌ。半
．旦Ｚ斟．＋２４ Ｖ
｛ｗ７ Ｑ半
．—望轧，懈ｖ
ｊ啪ｃｌ。生
．旦‰一ｌ＋２４ Ｖ
｛ｗ９ ｑ生
９图４开关电源电路
电路拓扑采用单端反激电路［４］，ＰＷＭ控制芯 片为专用芯片ＵＣ３８４２。控制方式为输出电压外 环，原边电流内环的双闭环ＰＩ控制。５ Ｖ输出经
式中Ｕ——原边所加直流电压 ‰——导通时间 Ａ。——磁芯有效面积，ｍｍ２
反激变换器中的变压器兼有储能、隔离和限流 的作用。电动汽车动力系统采用２０块１２ Ｖ，８０ Ａｈ 的铅酸蓄电池，则开关电源原边输入额定工作电压 为２４０ Ｖ，单体铅酸蓄电池安全工作电压范围为 １０．５～１６．２ Ｖ，蓄电池组的安全工作电压范围为 １８９～２９１．２ Ｖ。实际使用过程中蓄电池的工作不 存在过电压现象，所以对开关电源变压器设计过程 中暂不考虑电源过压问题，只是对最低工作电压进 行限制。在本文设计的驱动系统中，开关电源的最 低工作电压设置为１５０ Ｖ，欠压保护值设为１９５ Ｖ。 开关电源的输出包括４路＋２４ Ｖ，共地的＋１５，一 １５ Ｖ，＋５ Ｖ，给ＵＣ３８４２供电的＋１５ Ｖ。 ４．２．１ 系统的输出功率估算［５］
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＷＡＮＧ Ｊｉｅ—ｑｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙａｈ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期；２００９—０２—０２ 基金项目；北京交通大学重大科技基金资助项目（２００５ＳＺ００８）
·３０·
１ 开关磁阻电机功率变换器
鉴于电动汽车上电池能量珍贵的特点，开关磁 阻电机调速系统的功率变换器采用不对称半桥结 构，功率器件为ＩＧＢＴ。拓扑图如图１所示。