摘要：电动汽车/混合动力汽车 (EV/HEV) 的逆变器同时还应充当车载充电器，以达到节约空间、减少重量和降低成本的目的。逆变器和电机作为开关模式的升压/降压转换器。将IGBT作为电池充电器进行开关操作时，应在高达30 kHz的较高频率下进行。HybridPACK2（650V 800A、6合1）IGBT模块带有8.6μC门极电荷，在30 kHz频率下，驱动每个IGBT模块需要 4~5瓦的功率。为此，我们开发了一种驱动电路，该电路能够在30 kHz开关频率下以优越的热性能和特性成功地控制HybridPACK 2。
1. 引言
以定子绕组充当充电器系统电感器的做法已在电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)中得到日益广泛的应用【1】。逆变器和电机能够发挥两种用途，从而达到减少体积、重量和成本的目的。这在电动汽车/混合动力汽车 (EV/HEV) 中十分重要，其原因是众所周知的：因为电池会在占据大量的空间、重量和成本。图1所示为AC Propulsion提供的主电路拓扑。该图显示了逆变器和电机如何在充电系统中发挥作用。
图1：AC Propulsion的AC-150电气原理图
电机的电感通常设计用于牵引。在10 kHz左右的频率下对作为逆变器的IGBT进行开关操作。但如果作为开关电源为电池进行充电，则需要在20 kHz至30 kHz之间开关IGBT以达到可接受的电流纹波。在充电模式和电机控制模式下均需要使用驱动板和IGBT。这是硬件开发面临的主要挑战。图2显示测试台的装置。
图2：测试台装置
2. 计算与模拟
2.1. 门极驱动器的计算
一般情况下，可以根据式(1)计算门极电阻产生的功率损耗：
Pdis= PRgext+ PRgint= Vout×fS×Qge(1)[2]
Rgext表示外部门极电阻，Rgint表示内部门极电阻，内部电阻值为0.5Ω[3]。如果Vge等于+/-15V，则功率损耗应为30V * 30 kHz * 8.6μC = 7.74W。根据驱动板的效率，开关6个IGBT的驱动板的总功耗至少需要50W。
可根据式(2)计算每个IGBT的外部门极电阻的功耗：
PRgext= Pdis* Rgext/(Rgext+ Rgint)(2)
如果Rgext为2.5Ω，则外部门极电阻的功耗应为 7.74*2.5/ (2.5+0.5) = 6.45W。相对驱动板的尺寸而言，这个功耗较高。因此我们需要尽可能地减少功耗。可以通过降低Vge电压减少功耗。但根据数据手册，开通电压与导通损耗相关，因此不能降低太多。
因此我们将开通电压设置在14V左右。将关断电压设置为-7V。此时可将数据手册的数值乘以0.7计算得出Qge的近似值，即Qge= 6.02μC。驱动电路的总功率为21V * 30 kHz * 6.02μC = 3.79W。所选的外部门极电阻越小，则驱动电路产生的功率也越小。但较小的门极电阻可降低RBSOA（反向偏压安全工作区），而较大的门极电阻将增加开关损耗，如图3所示[2][3]。最后折衷使用2.7Ω的外部门极电阻。此时2.7Ω门极电阻的功耗为 2.7 / (2.7 + 0.5) * 3.79W = 3.20W。
图3：HybridPACK2的RBSOA和开关损耗
2.2. IGBT模块的热仿真
仿真采用直流斩波模式，因为它比SVPWM或SPWM模式更苛刻，而且该模式近似于升压/降压转换器应用。最大直流总线电压为420V，因为xEV电池充电时所需的最大电压为420V。流量设置为10升/分钟，冷却温度为65℃。冷却液为50%水加50%乙二醇。图4显示仿真结果。在30 kHz频率下，开关HybridPACK2将导致结温上升至133℃，输出电流达100A。足够电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)的电池进行充电。
图4：Tj 对比输出电流的模拟结果
3. 热管理解决方案
3.1. 驱动板布局的空间限制
驱动板的轮廓应与HybridPACK 2模块相匹配。首先，我们尝试将所有元件放置在顶层。但是顶层可用于门极电阻的空间仅为22mm * 25mm，如图5所示。这样的面积对于3.2W的功耗而言是不够的，因此需要使用底层。但仍应将门极电阻放置在顶层，以便为门极电阻提供更好的空气对流。
图5：驱动板布局纵览
3.2. 模拟和测试结果
门极电阻布局解决方案
如图6所示， 5种基本布局方法采用了不同的过孔类型。表1显示各解决方案的详情。
图6：门极电阻贴装测试板
表1：贴装解决方案详情
 温度上升的测试结果
对每个解决方案的电阻提供电源，并在 5 分钟后测量温度的热点。我们根据式 (3) 从测量结果计算热阻：
Rthja= (Tj– Ta) / P (3)
接着要回答的问题是底部不同数量的电阻所产生的影响。表2显示在底部放置不同数量的电阻。向5个解决方案供应1.4W的电源达20分钟以上，同时测量温度。然后以同样的方式计算Rth。
图7：10种解决方案的热阻
表2：电阻数量详情
 如图8所示，温度没有大幅上升。底部电阻的对流有限。空气无法从底部带走太多的热量。因此除非在底部使用金属底板，否则所有门极电阻都应放置在顶层。
图8：5种解决方案的热阻
从模拟中发现更多细节
模拟结果显示，电阻距离PCB的边缘越近，温度会越高。1.4W功耗会导致22*25mm的面积温度上升86℃，而 22*40mm 的面积温度上升70 ℃（在25℃环境温度下测量）。图9显示模拟结果。
图9：22*25mm和22*40mm温度上升的对比
在没有强制空气对流的情况下，无法在如此小的面积内处理3.2W的功耗。进一步的模拟结果显示5m/s的强制空气流动有助于在85℃的环境温度下将温度上升限制在60度，另一个选择是在40*30的面积内使用16块2010电阻可获得类似结果。
4. 最终测试和结论
使用测试台，在直流斩波模式下、开关频率为33 kHz时测量英飞凌的Hybrid-PACK 2功率模块的结温。Vdc为300V、Ic为100A、冷却液温度为19 。图10显示测量结果。结点的温度约上升51℃。与模拟结果相符。在强制空气对流下，门极电阻的温度约上升49℃。
图10：33kHz开关下门极电阻的Tj和温度测量
模拟和测试显示在30 kHz频率下的开关HybridPACK 2可借助电机绕组作为开关模式电源用于电池充电。其中最大的挑战是门极电阻的热管理。在大于30*40mm的面积内使用16块2010封装厚膜电阻会更加方便。否则应使用强制空气对流或其他强制冷却方法。
5. 参考资料
[1] Luis De Sousa: Combined electric device for powering and charging : Valeo, US2011/0221363 A1
[2] Infineon: HybridKitforHybridPACK 2:Infineon Technologies AG, 2011.
[3] Infineon: DataSheet_FS800R07A2E3_3_0:Infineon Technologies AG,2011.
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