新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解4

  大家好！我是张飞实战电子的郭嘉老师，这篇文章继续聊一聊新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解。

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

前面我们讲了，电流传感器的Ip电流为0V时，电流传感器Vout输出2.5V;当Ip等于+750A时，Vout输出为4.375V;当Ip电流等于-750V时，Vout输出为0.625V。从上面的数据可以看到Vout最低为0.625V到4.375V，不需要运放放大处理，进行滤波等处理后，可以直接送到单片机的AD口。如下图所示：

  V相电流采样滤波电路

从上图可以看出，C1和R1组成了低通滤波电路,滤除高频干扰。其实只用一个C1也可以进行对高频的滤波，根据Xc=1/2ΠCf 频率f越高，容抗Xc越小，高频干扰更容易通过电容C1释放到地，防止对信号干扰。加R1的作用：1、其实是对C1进行放电，也就是电动汽车再特殊工况运行时，电流Ip相对突变，也会引起Vout的突变，但是由于加了这个滤波积分电容，电容两端的电压不会突变的，反而会增加电流传感器回路的响应时间，对电流环路的控制就会有不利的影响。2、无论在什么情况可以保持I_VA一个确定电位，防止高阻态出现，扛干扰就差了，很容易触发过流保护等等，实际Ip并没有过流。

D1的主要作用就是防止静电或者其他幅值比较大能量比较小的干扰，比如Vout_V有个正幅值的静电，如果没有D1这个二极管，这个静电可能会破坏这条回路上的器件，由于耐压不够而损坏。加上这个二极管D1，D1的负极为+5V,它的正极最高为+5V+0.7V(二极管的管压降)，也就是I_VA最高电位不会超过+5.7V,从而可以保护这条回路的所有器件，防止被静电的正幅值打坏。同样道理，静电为负幅值时，D1二极管对地就工作了，Vout_V这条回路，不会因为静电的负的幅值太大而损坏回路的器件，此时这个二极管正极接的是地（GND=0），二极管负极的最低电压是-0.7V，也就是说Vout_V最小是-0.7V，这里就是利用二极管的单项导通，钳位原理实现对静电的钳位。

R2和C2组成的低通滤波电路，也叫延时电路，它的带宽F=1/2ΠRC=1/2Π*220*10*10^9=70KHz。低通滤波器可以滤除频率高于截止频率的信号，类似的还有高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器。R2和C2组成了一阶 RC 低通滤波器，高于70KHz的频率会被滤掉。低于70KHz的频率会被保留，我们这里的电流采样频率为10KHz，完全符合要求。经过这个滤波电路之后就可以把I_VA信号直接放心的送到单片机的AD口，进行模数信号的转换。

放大电路-直流稳压电源LDO

第一、设计目的   

直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来直流稳压电源高频化是其发展的的方向。高频化使开关电源小型化，并使直流稳压电源进入更广泛的应用领域，特别在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。这里以具有放大环节的串联型晶体管稳压电路来介绍，串联型稳压电源的搭建。

第二、画出串联型晶体管稳压电路单元设计模块  具有放大环节的串联型晶体管稳压电路由四个环节组成：

第一、根据原理框图确定串联型稳压电路各元件的作用

四、对设计出的串联型稳压电路稳压原理分析验证正确性，思路、瞬态、稳态的讲解。

   串联型稳压电路稳压原理，如下图所示。Ui增大时，自动调节过程如下：“串联型稳压电路稳压原理”

在上图中，当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经过Q2放大后送至调整管Q1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。

上面就是具有放大环节的串联型晶体管稳 稳压电路设计，通过我的讲解是不是很容易！

MOS和IGBT的区别讲解 3-栅极电阻选型测试（大功率）

一、实验仪器及硬件 

1、罗氏线圈电流探头：

2、多通道示波器及高压差分探头：

3、手工绕制的空心电感：

二、双脉冲测试实验台 

但是对于开发电力电子装置的工程师，无须专门搭建测试平台，直接使用正在开发中的变流 器即可。在该平台上得到的信息可以充分反映变流器的实际情况。

三、实验前的计算 

我们以 FF1000R17IE4 为被测对象，做一次计算：

新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解5

大家好！我是张飞实战电子的郭嘉老师，这篇文章继续聊一聊新能源汽车电流传感器的采样电路的讲解。

前面我们讲了，电流传感器的Ip电流为0V时，电流传感器Vout输出2.5V;当Ip等于+750A时，Vout输出为4.375V;当Ip电流等于-750V时，Vout输出为0.625V。从上面的数据可以看到Vout最低为0.625V到4.375V，不需要运放放大处理，进行滤波等处理后，可以直接送到单片机的AD口。

一般三项电机，会采样U、V、W三项其中两项电流即可，这样可以节省一个电流传感器，可以根据Iu+Iv+Iw=0计算另外一项电流。现在进行电流过流保护电路设计，即电机正转和反转都要设置过流点。电机正转时电流峰值到+750A就要进行电流保护，同理反转时电流峰值到-750A时，要封波处理关闭PWM。对应的正转Ip=+750A时对应的Vout=4.375V，反转Ip=-750A时对应的Vout=0.625V。

知道这些数据后，设计相关的硬件保护电路。为什么要设计硬件保护，不使用软件保护，这样还节约器件、减少成本等等。最主要的原因就是，软件保护要ms级，硬件保护可以达到us级，保护关断速度根本就不是一个量级，明显硬件保护更快。假设某型号IGBT（大部分大功率器件），可持续1ms极限峰值电流1000A，由于在短时间内电流功耗特别大，热量无论采取什么散热处理，都不可能把热量散出去到一个安全的点。所以要设计在1ms内关闭IGBT，由于软件调整一个闭环大概要5-10ms，根本没办法在1ms内关闭IGBT。所以这里只能使用硬件保护，关闭IGBT.

上图所示，用2in1 2903比较器和RC滤波电路组成的U向过流保护电路。U端是电流传感器的Vout，经过R6、R7、和C3组成低通滤波电路，送到比较器2903与参考电压VREF_HI和VREF_LO进行比较。 由于电源用的是5V，防止电流传感器Vout输出饱和，所以比较器输入部分进行分压处理Uin=1/2U(Vout)，防止对比较器输入饱和电平。

当4.375V<U（Vout）<0.625V输出,代表电机正常运行，比较器输出高；当4.375V<U（Vout）代表电机正转过流，我们设计比较器输出低，2in1 比较器OUTA输出低，OUTB输出高但是由于比较器是OC输出，OUTA和OUTB同时接在一个上拉电阻上，所以此时比较器输出仍未低电平;U（Vout）<0.625V时代表电机反转时过流，比较器同样输出低，比较器信号反转和正转过流一样。

从上图可知，电流传感器的核心主要由两部分组成，第一部分霍尔，第二部分运算电路。

当Vout>Vo，Ip母线电流正方向流动

电流传感器的系统架构

60KW电机控制器硬件驱动电路设计

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 单管IGBT并联方案-某一上桥臂

图2 单管IGBT并联方案-六桥臂实物图

图3 IGBT模块三项六桥臂方案

图4 IGBT模块三项六桥臂方案PCB实物板

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。

图5 IGBT驱动电路原理图（图4为此原理图的实物PCBA）

2.3 驱动电路有源米勒钳位技术

在图5红圈内H桥结构中，由于故障被突然被关断的IGBT di/dt电流斜率比较大，通过公式 di/dt*L=U可以看出，di代表在dt一断时间内一个电流的变化量，L代表杂电感，U代表IGBT突然关断Vce产生的尖峰电压。在这种情况下di/dt的斜率比较大，会产生一个或多个尖峰电压，此尖峰电压会通过IGBT内部的寄生电容米勒电容Cgd到IGBT的门极，会导致IGBT误导通，再次引发二次故障或破坏。驱动芯片8pin CLAMP （图5绿圈内）的米勒钳位功能允许通过IGBT的寄生电容Miller电容的电流经过驱动芯片内部的MOSFET低阻抗回路到VCC2的地形成一个完整的回路。因此，驱动电路中有了CLAMP钳位功能在许多应用中，可以避免使用负电源电压，减少硬件设计成本及生产成本等等。在关断期间，驱动芯片CLAMP监控IGBT的门极电压，当门极电压低于典型值的2v时，钳位功能输出会被激活。驱动芯片CLAMP引脚为米勒效益产生的干扰提供电流可以高达2 A电流回路以保证IGBT门极不被误触发IGBT不会误导通，这个技术运用到控制器中，使得新能源电机控制器运行更平稳、可靠、安全、使用寿命周期延长，保证了新能源汽车整车的驱动能力整体性能达到最佳。

2.4 驱动电路高压大电流六层以内PCB layout技术

在图4 PCBA可以看出，考虑到了汽车电机控制器电输入电压、电流都较大，对驱动管IGBT驱动信号抗干扰性能要求较高，dV/dt、di/dt斜率不能太大。在PCB设计中本人采用了六层板，进行PCB layout的设计。六层电路板每层的信号分配为信号层、地线层、电源层、六层板，没有绝对的地线层、电源层、信号层，但是要考虑安规（电气间隙、爬电距离等等）。通过独立的地线层、电源层和PE层，可以对控制信号进行屏蔽，避免信号之间的互相耦合干扰，提供产品的可靠性，改善EMC性能。

图6 六层IGBT驱动电路PCB实物图

3.结束语

本人在控制器的原理图设计、layout、器件选型等设计中，把上面的创新点运用到产品中，经过本人亲自理论计算、Multisim的仿真、调试、试验等追踪，控制器最终产满足了客户要求。本款控制器研发成功，攻克了公司多年来对高压大电流控制器的技术难题，为公司带来了好的声誉，关键技术指标，在业界也是处于领先。