第６期２０２２年１２月
机电元件
ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＶｏｌ ４２Ｎｏ ６汽车缓冲器
Ｄｅｃ ２０２２
收稿日期：２０２２－１１－１１
基金项目：大学生科技创新基金项目（项目编号：ＴＢ２０２１０４０１２）
顾 捷，邓孝华，叶 萌，李 然，严俐慧（南京工程学院电力工程学院，江苏南京，２１１１６７）
摘要：该文基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ设计了三相永磁同步电机ＩＧＢＴ驱动系统硬件，其包括三相逆变电路、ＴＬＰ２５０光耦隔离放大、Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２电压转换等电路的设计。具体设计了三相逆变电路参数、ＴＬＰ２５０的限流输入电路、１５Ｖ和－９．１Ｖ驱动电压电路、消谐和快速放电电路。最后结合软件控制程序进行了驱动系统实验，得到的Ｉ
ＧＢＴ驱动电压和电机电流波形，验证了ＩＧＢＴ驱动系统硬件设计的正确性。关键词：永磁同步电机；三相逆变；ＩＧＢＴ驱动；实验波形Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０２２．０６．００４
中图分类号：ＴＮ７８４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－６１３３（２０２２）０６－００１４－０４
ＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
ＭｏｔｏｒＩＧＢＴＤｒｉｖｅＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ
ＧＵＪｉｅ，ＤＥＮＧＸｉａｏ－ｈｕａ，ＹＥＭｅｎｇ，ＬＩＲａｎ，ＹＡＮＬｉ－ｈｕｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆＰＭＳＭｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ，ａｎｄｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＴＬＰ２５０ｏｐｔｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｉｓｏｌａｔｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ，１Ｎ４７
４４ｚｅｎｅｒｄｉｏｄｅ，Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｕｔｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎ ｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇｉｎｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆＴＬＰ２５０，１５Ｖａｎｄ－９．１Ｖｄｒｉｖｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｈａｒｍｏｎｉｃｅｌｉｍｉｎａ ｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｆａｓｔｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｉｓｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅＩＧＢＴｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆＩＧＢＴｄｒｉｖｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｍｏｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒ ｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆＩＧＢＴｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒ，ＩＧＢＴｄｒｉｖｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍ
１ 引言
电动汽车因具有高效、经济、环保等优点而成为新能源汽车研究的热点，永磁同步电机具有高效率、高功
率密度而被广泛用作为电动汽车驱动电机［１］
。虽然
碳化硅器件具有大功率、耐高温等优势，但其成本高，
缺少长期运行可靠性评估［
２］
。目前，ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ仍是电动汽车驱动器中使用的主流功率器件。为了更
好地实现ＰＭＳＭ的动态性能，采用坐标变换的方法将同步电机等效成直流电机进行控制，把交流电机定子电流矢量进行分解，转换成两个按照转子磁场定向的直流分量ｉ
ｄ和ｉｑ，最终通过对这两个直流分量的控制实现对Ｐ
ＭＳＭ转矩及转速控制［３，４］
。由于Ｍ
ＯＳＦＥＴ结构，通常可以做到电流很大，但耐压较低［５］
；而ＩＧＢＴ导通压降低，耐压高，所以适用
于高压大功率场合。本硬件设计驱动１
０ｋＷ的永磁同
步电机，故选用ＩＧＢＴ作为功率器件。一般而言，ＩＧＢＴ的正向驱动电压在１５Ｖ，而ＭＯＳＦＥＴ在１０－１２Ｖ左右；驱动电压负压的作用主要是防止关断中的功率开关误导通，同时增加开关速度。因为ＩＧＢＴ具有电流拖尾效应，而且输入电容比较大，为此选取－９Ｖ的关断电压。而ＭＯＳＦＥＴ拖尾效应不明显，不需要选取负的关断电压，一般选０Ｖ作为关断电压。
２ 硬件系统设计及原理说明
２．１ 三相逆变电路设计
三相逆变电路由输入整流电容Ｃｄｃ
、三相半桥组成［
４］
，
如图１所示。半桥由２个ＩＧＢＴ串联构成，ＩＧＢＴ选用１２００Ｖ、２５Ａ的ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ，以满足１
０ｋＷ
永磁同步电机。图１ 三相逆变桥
假设电流所有纹波都通过电容，负载通过的电流值为平均值，则电容电压及其电流如图２
所示。
图２ 电容电压及电流波形
由ｉ＝Ｃｄｕ
ｄｔ
可得：
Δｕｄｃ
＝ＩＬＤＴＳＣｄｃ
（１）
式中，Δｕｄｃ为电容电压的变化量；ＩＬ为负载电流平均值；Ｄ为占空比；ＴＳ为ＰＷＭ周期；Ｃｄｃ为直流侧的电容值。
设ηｖ＝Δｕｄｃ／Ｕｄｃ（ηｖ为电容电压波动率、Ｕｄｃ为电容电压平均值），则：
Ｃｄｃ
ＰＤＴＳ
ηｖＵ２
ｄｃ
（２）
式中，Ｐ为直流侧电源输入功率。
通常情况下，占空比在０．９以内。由逆变器工作条件设，Ｕｄｃ＝３１０Ｖ，Ｄ＝０．８４，ηｖ＝１％，Ｐ＝１０ｋＷ，ＴＳ＝２００μｓ，计算可得：Ｃｄｃ
３１．７μＦ。２．２ ＴＬＰ２５０输入及输出电路设计
为保证功率驱动电路与ＰＷＭ脉宽调制电路的可靠隔离，提高系统的抗干扰能力；另一方面，由于输出电流较小，对较大功率ＩＧＢＴ驱动时，需要外加功率放大电路，本设计选用ＴＬＰ２５０，其内部结构如图３
所示。
图３ ＴＬＰ２５０引脚配置图
ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ电平为３．３Ｖ，通过查阅资料
可知ＴＬＰ２５０的输入二极管电压典型值为１．６Ｖ，由于
流入ＰＷＭ口的拉、灌电流只有４ｍＡ［６］
，为此在
ＴＬＰ２５０输入端接入限流电阻，电阻值应满足：
Ｒ＞３．３Ｖ－１．６Ｖ
４ｍＡ
＝４２５Ω
（３）
选取两个阻值为３３０的限流电阻接入到２、３引脚，这样输入电流是２．５７ｍＡ，为此不需要经过缓冲器，如图４
所示。
图４ ＴＬＰ２５０输入电路
ＩＧＢＴ门极和源极之间接入阻值为１０Ｋ的电阻Ｒ２３，用来泄放电荷和消除谐振；稳压管１Ｎ４７４４的作用是保证栅源极电压不超过±
１５Ｖ，起过压保护作用，如图５（ａ）所示；ＩＧＢＴ栅源极之间并联一个１００ＰＦ的电容Ｃ４来滤除高频干扰，防止误导通，如图５（
ｂ）所示。５
１ 第６期
顾 捷等：电动汽车永磁同步电机ＩＧＢＴ驱动系统硬件设计
（ａ） （ｂ）
图５（ａ）栅源极过压保护、消谐和电荷泄放电路；
（ｂ）栅源极电容滤波电路
图６中８管脚和５管脚之间电压为２４Ｖ，电阻Ｒ１３和９．１Ｖ稳压管１Ｎ４７３９构成分压电路，１ｕＦ电容和４７ｕＦ电容分别起到稳压滤波作用。当光耦二极管导通时，８管脚和７管脚导通，栅源极之间电压为１４．９Ｖ；当光耦二极管关断时，７管脚和５管脚导通，栅源极之间电压为－９．１Ｖ。电容Ｃ１０可以起到稳压滤波的作用。Ｔ
ＬＰ２５０输出与门极之间串入２２欧姆的电阻Ｒ１６消除谐振。１Ｎ４７３９右端电压为９．１Ｖ。当Ｖｏ为０Ｖ时，１Ｎ４１４８使得栅源极之间有－９．１Ｖ的关断电压，确保ＩＧＢＴ可以迅速关断，
用来快速泄放电荷。
图６ ＩＧＢＴ驱动电路
２．３ Ｂ０５２４电压转换
如图７所示，Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２电路可将５Ｖ的电压转化为２
４的电压输出，考虑纹波的影响，需要在输入端和输出端各并联一个滤波电容，同时为了保证每一路输出能够安全可靠，需要选择合适的电容，通过查阅资料得到不同输入输出电压下的电容推荐值，当输入电压为５
Ｖ时，并联４．７ｕＦ电容，当输出电压为２４Ｖ时，并联１ｕＦ电容［６］。
三相逆变桥三个上管由三个独立的２４Ｖ电源供电，三个下管共用１个２４Ｖ的电源，图８（ａ）是ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤＩＧＢＴ封装，图８（ｂ）是Ｂ０５２４Ｓ－
２ＷＲ２ＰＣＢ
布线图。
图７ Ｂ０５２４
电路
（ａ） （ｂ） 图８（ａ）ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤＩＧＢＴ封装图；
（ｂ）Ｂ０５２４Ｓ－２Ｗ封装布线图
３ 硬件系统及实验波形
３．１ 电动汽车永磁同步电机ＩＧＢＴ驱动系统硬件
永磁同步电机驱动系统实验平台如图９所示，图中包括三相Ｉ
ＧＢＴ驱动系统、ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ最小系统、霍尔电流传感器，驱动功率为７５０Ｗ、转速３０００ｒ／ｍｉｎ的永磁同步电机。示波器显示的电流波形验证了电机驱动系统能够正常运行。Ｆ
ＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ、Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２实物照片如图１０（ａ）、（ｂ）
所示。
图９ 永磁同步电机驱动系统实验平台
ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ最小系统板输出六路ＰＷＭ信号给Ｔ
ＬＰ２５０的输入二极管，经隔离后输出至ＩＧＢＴ栅源极。根据实验测试上三管三个Ｂ０５２４－２ＷＲ２和下三管一个Ｂ０５２４－２ＷＲ２四个ＤＣ／ＤＣ电源在５Ｖ输入端总电流约３
８０ｍＡ，驱动功率约２Ｗ，其中包括９．１Ｖ稳压管、ＴＬＰ２５０工作电流。如图１０（ａ）所示，
６
１机电元件２０２２年
ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ采用ＴＯ－３Ｐ带双针铝制散热器，逆
变器直流输入、三相逆变输出电流较大，采用４ｍｍ２
的
铜导线连接；
Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２与最小系统共用一个５Ｖ／２Ａ的输入电源，
简化了系统设计。
（ａ） （ｂ）
图１０ （ａ）ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ；
（ｂ）Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２和４ｍｍ２
铜导线
３．２ ＩＧＢＴ驱动电路波形
ＩＧＢＴ驱动波形如下图１１（ａ）所示，图中纵坐标每格为５
Ｖ，门极关断电压约为－９Ｖ，开通电压约为１４．５Ｖ。图１１（ｂ）为电机相电流波形，但是由于磁粉制动器负载、转矩转速传感器、永磁同步电机连接轴心不完全同心，导致电机转速有波动，使得电机电流有一定的
毛刺。
（ａ） （ｂ）
图１１（ａ）ＩＧＢＴ驱动电压波形；（ｂ）电机相电流波形
４ 结论
本文基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ进行了永磁同步电机电机控制系统的硬件设计。其中硬件部分包括ＩＧ ＢＴ驱动电路、ＴＬＰ２５０光耦、三相逆变电路、Ｂ０５２４Ｓ－２ＷＲ２等电路的设计。最后依据实验结果，设计的硬件电路能实现永磁同步电机三相桥式逆变系统驱动。
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Ｎｕｍｂｅｒ：ＳＰＲＳ４３９Ｂ，Ｊｕｎｅ２００７－ＲｅｖｉｓｅｄＯｃｔｏｂｅｒ２００７．
（上接第１１页）２１．２１１．１８２．６３ｄＢ３１．２２１．２１２．６７ｄＢ４１．２０１．１９２．６３ｄＢ５
１．２２
１．２０
２．７１ｄＢ
可见，其电学性能十分优异，且批次一致性十分良好，完全满足任何工程使用需求。
５ 结论
研制的新型结构的毫米波电缆连接器不但满足了
小型化要求，而且电学性能非常优异，批量一致性良好。绝缘支撑采用聚四氟乙烯材料，可通过简单的车削设备加工而成，降低了生产技术要求和成本，在装配时不需要借助任何专用工装，大大提高了生产效率和经济性。参考文献：
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７
１ 第６期
顾 捷等：电动汽车永磁同步电机ＩＧＢＴ驱动系统硬件设计
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