鐘華 劉志強(qiáng) 宋佳茵 趙慧超

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：電機(jī)控制器 并聯(lián)均流 大功率散熱 分立器件

縮略語(yǔ)

NEV New Energy Vehicle

IPU Intelligent Power Unit

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

PWM Pulse Width Modulation

PCB Printed Circuit Board

TVS Transient Voltage Suppressor

GTO Gate Turn-Off Thyristor

GTR Giant Transistor

1 前言

為應(yīng)對(duì)新的排放法規(guī)，越來(lái)越多的汽車(chē)廠與零配件公司開(kāi)始深入研究純電動(dòng)和混合動(dòng)力技術(shù)。電機(jī)系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，其中，電機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)方式有多種多樣，按功率器件類(lèi)型可分為模塊式電機(jī)控制器系統(tǒng)和分立器件式電機(jī)控制器系統(tǒng)。模塊式系統(tǒng)由于其實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，多為整車(chē)廠初期產(chǎn)品使用。

分立器件電機(jī)控制器采用多功率器件并聯(lián)方案來(lái)代替功率模塊方案，主要優(yōu)點(diǎn)是成本可控、系統(tǒng)集成度高、器件資源豐富、性能拓展性強(qiáng)。分立器系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題為多功率器件并聯(lián)均流問(wèn)題、大電流的承載問(wèn)題和大功率的散熱問(wèn)題。本文基于分立器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種電機(jī)控制器功率單元，解決了上述主要問(wèn)題，并且系統(tǒng)方便安裝，成本低，可應(yīng)用到新能源整車(chē)系統(tǒng)中。

2 功率單元設(shè)計(jì)

功率單元是電機(jī)控制器的核心單元，是電驅(qū)系統(tǒng)的心臟，影響整個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)的性能，進(jìn)而影響整車(chē)性能。功率單元主要包括功率開(kāi)關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)單元、母線電容、必要的正負(fù)輸入與三相輸出銅排、電磁兼容元件、泄放電阻，如圖1所示。

圖1 逆變器IPU硬件拓?fù)鋱D

圖1 中，1 為功率開(kāi)關(guān)器件、2 為驅(qū)動(dòng)單元、3 為直流母線電容、4為泄放電阻、5為電磁兼容元器件。

分立器件電機(jī)控制器的功率開(kāi)關(guān)器件是由多個(gè)分立的開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)得到的，根據(jù)系統(tǒng)的電流等級(jí)和單個(gè)分立器件的電流等級(jí)，可以采用2～6個(gè)或者更多個(gè)分立器件并聯(lián)，多于6個(gè)的分立器件并聯(lián)在成本上和寄生參數(shù)優(yōu)化上不占優(yōu)勢(shì)，不推薦采用。并聯(lián)功率器件數(shù)量無(wú)論多少，并聯(lián)的實(shí)施方案基本是一樣的，工程師可通過(guò)并聯(lián)功率器件數(shù)量的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的擴(kuò)充，便于成本控制。

多功率器件并聯(lián)方案的實(shí)現(xiàn)形式是多樣化的。姜桂賓提出的方案1[1]是多貼片式功率器件并聯(lián)布置在鋁基板上，形成功率變換主電路的電機(jī)控制器，該類(lèi)電機(jī)控制器的鋁基板單面布板，無(wú)法走多層信號(hào)線，一般只布置功率器件，功率器件散熱器布置在鋁基板反面?zhèn)?，該方案一方面不利于功率器件的迅速散熱，另一方面電機(jī)控制器的集成度也不高。郭曉穎等提出的方案2[2]是多個(gè)直插功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)布置在普通電路板上，雖使用直插器件，但散熱方式和布置方式與貼片器件相同，依然沒(méi)有有效解決散熱和空間上存在的問(wèn)題。姜桂賓提出的方案3[3]是直插功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)布置在電路板上，結(jié)構(gòu)上充分利用了空間資源，節(jié)省了電路板的尺寸，這種結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)水冷形式，不利于較大功率控制器的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樘鄠€(gè)功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)使用多個(gè)夾具固定太過(guò)復(fù)雜，不利于安裝實(shí)現(xiàn)。

本文針對(duì)目前多功率器件并聯(lián)電機(jī)控制器方案存在的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種并聯(lián)均流效果好、散熱好、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、便于安裝實(shí)現(xiàn)、成本低的新能源汽車(chē)用電機(jī)控制器功率單元。

2.1 功率單元并聯(lián)均流設(shè)計(jì)

2.1.1 器件選型與原理設(shè)計(jì)

功率器件均流特性分為靜態(tài)均流特性和動(dòng)態(tài)均流特性[4]。靜態(tài)電流特性主要受導(dǎo)通電阻影響，導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流是有利的，隨著溫度升高，阻值是變大的。具有正溫度系數(shù)的功率器件并聯(lián)工作是能夠自然均流，如大多數(shù)的MOSFET 和IGBT 都具有正溫度系數(shù)。雖然功率器件可實(shí)現(xiàn)自均流現(xiàn)象，但當(dāng)并聯(lián)功率器件參數(shù)相差較大時(shí)，會(huì)造成管芯溫差過(guò)大和非預(yù)期的不均流，從而造成器件損壞。動(dòng)態(tài)電流特性的影響因素包括器件自身參數(shù)、柵極驅(qū)動(dòng)電阻、功率回路中寄生電感。由于功率器件自身參數(shù)與器件選擇有關(guān)，與應(yīng)用設(shè)計(jì)關(guān)系較小，因此，本文的動(dòng)態(tài)均流因素只考慮柵極驅(qū)動(dòng)電阻的匹配以及回路中的寄生電感。

靜態(tài)均流特性主要受功率器件本身參數(shù)如導(dǎo)通電阻 RDS（ON）或?qū)妷篤ce（sat）、柵極開(kāi)啟電壓Vth等差異性的影響。該項(xiàng)差異可以通過(guò)分立器件在二次模組封裝前進(jìn)行分立器件的篩選，將差異性較小的功率器件放在一組進(jìn)行并聯(lián)。器件篩選工作可以通過(guò)以下3種方式進(jìn)行。

（1）器件數(shù)量大批量生產(chǎn)時(shí)可以與芯片廠協(xié)同篩選，芯片出廠前通過(guò)芯片在晶圓的物理位置進(jìn)行篩選，這種篩選方式一般是需支付額外費(fèi)用和增加設(shè)備投資。

（2）器件數(shù)量為小批量時(shí)可以委托給第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)逐項(xiàng)篩選。

（3）器件數(shù)量較少時(shí)可通過(guò)靜態(tài)分析儀等測(cè)試設(shè)備，結(jié)合特定夾具進(jìn)行篩選。

器件篩選工作涉及到一些成本和工時(shí)的投入，也可以通過(guò)器件降額的方式保證多器件并聯(lián)均流，并聯(lián)數(shù)量越多，降額幅度需要越大，具體降額的數(shù)值需要通過(guò)仿具和試驗(yàn)得到。

對(duì)動(dòng)態(tài)特性均流因素本文只考慮柵極驅(qū)動(dòng)電阻的匹配以及回路中的寄生電感。

回路中寄生電感的差異主要是由于功率器件布極所處位置差異導(dǎo)致的，為了減少動(dòng)態(tài)均流的不平衡，發(fā)射極側(cè)的接線盡可能短且均勻等長(zhǎng)，也可以通過(guò)均流電阻進(jìn)行調(diào)整[5-6]。均流電阻的連接如圖2 所示，均流電阻串聯(lián)在功率器件的發(fā)射極端。發(fā)射極電阻比集電極電阻的影響更大，因此這里省略了集電極電阻。發(fā)射極電阻很大程度保證多器件并聯(lián)的均流性，提升系統(tǒng)輸出性能。

圖2 發(fā)射極側(cè)均流電阻電路

動(dòng)態(tài)特性均流因素也可以考慮通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電阻的匹配進(jìn)行優(yōu)化。在圖2發(fā)射極側(cè)均流電阻電路的基礎(chǔ)上增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻調(diào)節(jié)，電路圖如圖3 所示，R3 和R4 為柵極均流電阻，通過(guò)均流電阻的調(diào)節(jié)去減少器件并聯(lián)的不均流度。Q1和Q2是2個(gè)功率器件并聯(lián)電路的示意圖，同樣的方法可得到更多個(gè)功率器件并聯(lián)電路。

圖3 柵極側(cè)均流電阻電路

除了均流電阻的使用，也建議在功率器件附近增加相關(guān)的保護(hù)電路，如圖4所示。

圖4 功率器件保護(hù)電路

圖4 中電阻R5 為柵極和源極間結(jié)電容電荷提供放電通道，防止因電荷積累而導(dǎo)致管子誤導(dǎo)通，起到掉電保護(hù)作用，也可防止靜電擊穿功率器件。TVS管D1 用于鉗位功率MOSFET 柵極和源極間電壓Vgs 不超過(guò)安全工作電壓。C1為防柵極振蕩電容，可以吸收一定的振蕩和浪涌電壓，降低損耗。C2 為緩沖電容，可以吸收回路中雜散電感產(chǎn)生的尖峰電壓。

2.1.2 PCB設(shè)計(jì)

如前文所述，動(dòng)態(tài)特性均流因素受回路中的寄生電感影響。為了減少這種影響，發(fā)射極側(cè)的接線盡可能短且均勻等長(zhǎng)。因此，PCB布局時(shí)需要注意將并聯(lián)功率器件相互靠近，并均勻分布在散熱器水道上，使寄生參數(shù)接近，且散熱條件相同，從而保證并聯(lián)功率器件之間自動(dòng)均流能力。功率器件并聯(lián)電路的PCB圖如圖5所示。

圖5 功率器件并聯(lián)電路PCB

2.2 功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 功率單元布置結(jié)構(gòu)

車(chē)用大功率逆變器功率單元主要由母線電容、功率開(kāi)關(guān)器件、母排、電流傳感器以及必要的吸收回路組成。本文功率開(kāi)關(guān)器件采用分立器件，使用普通電路板承載。將多個(gè)分立式直插功率開(kāi)關(guān)器件分別焊接在兩個(gè)電路板上，使得功率開(kāi)關(guān)器件占用的面積小且功率密度大，同時(shí)利用支架和夾緊裝置將直插功率開(kāi)關(guān)器件分層固定在散熱器上，較一般的布置能夠更好利用逆變器空間體積，更節(jié)省空間，同時(shí)增強(qiáng)了散熱能力，而且該散熱器采用通過(guò)管道連接的散熱片的形式，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷和水冷的冷卻方式，可擴(kuò)展性好，能夠大大的提高功率開(kāi)關(guān)器件電機(jī)控制器的功率密度，在整車(chē)布置的靈活性大幅提高。功率單元的布置結(jié)構(gòu)參考圖6。示意圖中的上下兩塊電路板承載著所有功率器件，包擴(kuò)多分立器的功率開(kāi)關(guān)、多分立的直流母線電容、電流傳感器、吸收回路以及直流與交流母排。直流與交流母排采用波峰焊接形式，焊接在功率電路板上，方便后期裝配。

圖6 功率單元安裝示意

使用電熱仿真軟件對(duì)正負(fù)母排和交流母排在持續(xù)工況和峰值工況下分別進(jìn)行母排熱仿真分析。仿真環(huán)境溫度85 ℃，流過(guò)持續(xù)電流直至熱穩(wěn)態(tài)，記錄母排穩(wěn)態(tài)溫升與形變情況，仿真結(jié)果如圖7。仿真結(jié)果表明交流母排在持續(xù)電流工況下，溫度最高126 ℃（小于母排的設(shè)計(jì)目標(biāo)溫度130 ℃)，此溫度不影響電路板與功率器件熱性能，仿真驗(yàn)證通過(guò)。直流母排持續(xù)電流較交流母排小，但母排截面相同，仿真溫度低于126 ℃，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖7 交流母排熱仿真結(jié)果

2.2.2 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)用大功率逆變器一般采用水冷散熱，強(qiáng)制風(fēng)冷一般無(wú)法滿足系統(tǒng)要求。本文設(shè)計(jì)了一種水冷的散熱方案，功率單元與散熱器的安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，即功率單元分為上下兩塊電路板，功率器件直插焊接在兩塊電路板上，功率器件的散熱面通過(guò)導(dǎo)熱絕緣墊片與冷卻器接觸，使用壓緊彈片保證器件可靠散熱。功率器件與散熱器的布置方式如圖8所示。

功率器件內(nèi)部的芯片的散熱路徑如圖9 所示，功率器件與冷卻器之間放置導(dǎo)熱絕緣墊片。功率器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫和第一段熱阻Rth（jc）可以通過(guò)分立器件手冊(cè)查到。第二段熱阻Rth（ch）可以通過(guò)導(dǎo)熱絕緣墊片手冊(cè)查到。第三段熱阻Rth（ha）可以通過(guò)散熱器材料分析計(jì)算得到。通過(guò)估算功率器件系統(tǒng)的散熱量便可以得到最終芯片的結(jié)溫，若計(jì)算得到的結(jié)溫小于功率器件本身芯片的結(jié)溫，那么設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 功率器件與冷卻器的布置示意

圖9 功率器件內(nèi)部的芯片的散熱路徑示意

功率器件的功率損耗一般主要包括器件的通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗和驅(qū)動(dòng)損耗4個(gè)部分[7]。

(1)功率器件的通態(tài)損耗

功率器件在周期性的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中，處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)的功率損耗。當(dāng)開(kāi)關(guān)器件輸出占空比（PWM）為δ的電流脈沖時(shí),其平均通態(tài)損耗可以按式（1）表示。

式中,IDS為脈沖電流幅值;UON為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)壓降;δ為輸出波形占空比。

若功率器件為MOSFET，則多是在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出器件的通態(tài)電阻而不是通態(tài)壓降。因此通態(tài)PC損耗往往由公式(1)變形為由公式（2）計(jì)算得到。

式中,IDS為脈沖電流幅值;RDS為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)電阻;δ為輸出波形占空比。

(2)功率器件的開(kāi)關(guān)損耗

功率器件開(kāi)關(guān)損耗包括了開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。因此產(chǎn)生較大的損耗,而且開(kāi)關(guān)損耗的大小在很多情況下占有了器件總的功率損耗的相當(dāng)大比重,甚至是主要部分,尤其是當(dāng)器件處于高頻工作情形下。

功率器件的開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載的特性有關(guān),一般簡(jiǎn)化為感性負(fù)載和阻性負(fù)載，采用這2種情況來(lái)計(jì)算開(kāi)關(guān)損耗。下面為硬開(kāi)關(guān)條件下2種情形的開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算公式,見(jiàn)式(3)和式(4)。

式中,US為斷態(tài)電壓值;IM為通態(tài)電流值;f為開(kāi)關(guān)頻率值;ton為開(kāi)通時(shí)間;toff為關(guān)斷時(shí)間。

(3)功率器件的斷態(tài)漏電流損耗

一般情況下，MOSFET 器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的集電極(漏極)漏電流十分微小,可認(rèn)為器件無(wú)損耗,但在斷態(tài)電壓US很高的情況下,則微小的漏電流ICO仍可能產(chǎn)生較為顯著的斷態(tài)功率損耗PCO，見(jiàn)式（5）。

式中,ICO為功率器件斷態(tài)漏電流;US為斷態(tài)電壓;δ為功率器件輸出電流波形占空比。

(4)功率器件的驅(qū)動(dòng)損耗

功率器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中消耗在驅(qū)動(dòng)控制板上的功率以及在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)維持一定的柵極電壓、電流所消耗的功率稱為開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)損耗。一般情況下,這部分的功率損耗與器件的其他部分損耗相比可以忽略不計(jì),但對(duì)于GTO、GTR這類(lèi)通態(tài)電流比較大的功率器件則需要特殊考慮。

(5)總功率損耗

總功率損耗為通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗及驅(qū)動(dòng)損耗之和。

經(jīng)過(guò)公式計(jì)算，本文設(shè)計(jì)方案功率器件的單個(gè)橋臂總損耗為210 W。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)基于熱阻計(jì)算公式[6]，可得整個(gè)傳熱過(guò)程總熱阻約為0.35 ℃/W。因此，計(jì)算得MOSFET 芯片溫度為138.5 ℃，小于芯片的結(jié)溫175 ℃，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)單元是指包含驅(qū)動(dòng)電路，并和IGBT 模塊配套使用的硬件電路板。一般包括電源電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率放大，保證模塊正常的、可靠的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)IC、驅(qū)動(dòng)電阻、推挽電路。

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電源提供功率模塊開(kāi)關(guān)行為所需的工作電壓，保證模塊正常的、可靠的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)芯片自帶電源管理能力，外圍電路需要配合功率MOS和變壓器，原理如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)電源電路示意

Avago 驅(qū)動(dòng)芯片ACFH-3548T 自帶電源管理功能，輸入電壓為8～18 V，可以輸出+14.5～17.5 V穩(wěn)定的閉環(huán)電壓和一個(gè)-10～0.5 V負(fù)電壓，這里通過(guò)-8 V穩(wěn)壓管串聯(lián)電阻得到+15 V和-8 V 2個(gè)驅(qū)動(dòng)電源。輸出端有電源支撐電容，保證電壓平穩(wěn)性。

3.1.2 數(shù)字5 V電源

數(shù)字5 V 電源用于控制信號(hào)反饋、主芯片供電和一些采樣電路。數(shù)字5 V的輸入為8～18 V，由于數(shù)字5 V 電源電流能力需求不高，選擇電源芯片為T(mén)LE4295，電流能力為30 mA，滿足使用要求，電路見(jiàn)圖11。

圖11 數(shù)字5 V電源電路示意

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路圍繞驅(qū)動(dòng)芯片展開(kāi)，Avago ACFH-3548T輸出電流峰值為2.5 A，可通過(guò)增加推挽電路增加驅(qū)動(dòng)輸出電流能力，電路如圖12所示。為了保證功率器件的可靠開(kāi)關(guān)，可增加設(shè)計(jì)柵極過(guò)壓保護(hù)、有源鉗位、退飽和保護(hù)等保護(hù)電路。

圖12 驅(qū)動(dòng)電路示意

3.3 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

一般的功率模塊內(nèi)部是集成溫度傳感器的，分立器件一般不會(huì)在內(nèi)部集成傳感器。

分立器件功率單元需要在器件外部增加溫度傳感器，溫度傳感器放置的位置靠經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，也需后期根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定校核，以保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性。一般外置的溫度傳感器會(huì)使用熱敏電阻，熱敏電阻需要一些外圍電路供電、同時(shí)需要電阻進(jìn)行分壓，采集溫度信號(hào)反饋給控制單元，電路如圖13所示。

圖13 功率器件溫度檢測(cè)電路

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的分立器件逆變器功率單元通過(guò)試制實(shí)現(xiàn)，功能樣機(jī)如圖14所示，裝配合理，工藝簡(jiǎn)單。

圖14 分立器件逆變器功能樣機(jī)

功能樣機(jī)最終通過(guò)功率單元?jiǎng)討B(tài)特性分析，雙脈波形如圖15所示，雙脈沖波形正常，無(wú)特殊振動(dòng)。同時(shí)對(duì)功率單元進(jìn)行了短路試驗(yàn)，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)單元短路功能的有效性。

圖15 逆變器功率單元?jiǎng)討B(tài)特性輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

分立器件的應(yīng)用一定程度上可以解決器件資源、成本、空間的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種分立器件電機(jī)控制器功率單元，主要針對(duì)功率主回路的設(shè)計(jì)，包括多功率器件并聯(lián)均流、大電流承載和大功率器件散熱問(wèn)題。最終通過(guò)方案實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。