基于升壓DC-DC雙向變換器與變頻器實現節能型電動車交流驅動系統設計

在電動車中，蓄電池和電驅動系統是兩個關鍵，它們的技術水平很大程度上決定著電動車的主要性能。不同于一般工業和家用電驅動系統，在電動車上，不論是采用何種方式供給電能，能量都是有限的，因此為滿足電動車的特殊性，新型的電驅動系統中的電機和功率變換裝置應滿足以下一些基本要求：①高效率；②體積小重量輕；③高起動轉矩倍數；④良好的調速性能和可控制性；⑤可靠性一定要高，使用壽命必須盡可能長，少維護甚至是不維護；⑥降低噪聲和減小振動，改善舒適性。

目前，我國電動車電驅動系統仍以直流電機驅動為主，普遍采用從蓄電池到功率變換器再到驅動電機的單向能量傳遞方式，它存在著很多不足。具體而言，直流電機雖然具有結構簡單、可控制性好、調速范圍寬、起動轉矩倍數較大、控制電路相對簡單、成本較低等優點，但它的缺點同樣不可忽視。有刷直流電機由于存在著機械換向部件電刷或換向器，很容易導致火花，噪聲和震動嚴重，電磁干擾問題突出，而且電刷或換向器的維護比較困難，使用壽命較短，此外，電機的體積十分龐大，造成有限空間的浪費；無刷直流電機雖然克服了有刷電機的一些缺陷，但它的轉子位置檢測困難，整機價格頗高，性價比相對較低。再從系統效率角度來看，由于絕大多數系統采用單向功率傳遞，使得車輛在剎車減速或下坡滑行時白白地浪費了大量能量。此外，電刷、換向器等的機械震動、摩擦，也造成了系統效率的降低。因此，本文針對以上問題，結合電驅動系統的基本要求，提出一種新型的ZCZVS升壓DC-DC雙向變換器與變頻器相結合來驅動鼠籠型異步電動機的節能型電動車交流驅動系統。

1、系統設計要求和總體設計

該系統主要作為電動摩托車等輕型電動車輛的驅動裝置，其基本技術參數如下：輸入電壓為直流36V；直流變換器輸出電壓Vo為直流150V；驅動電機容量不大于300W；實現減速、剎車能量可回饋功能；實現加減速可調、軟啟動功能；具有過流、過壓、欠壓保護功能等。

節能型電動車交流驅動系統的基本構成如圖1所示，它包括蓄電池V5、ZCZVS升壓DC-DC變換器、三相橋式逆變電路、交流異步電機和相應的控制、檢測單元。高頻電感L和電子開關Su構成升壓DC-DC變換器，為由S1~S6構成的變頻調速器的逆變器提供輸入電壓，電容Csu為緩沖電容，反并聯二極管Dsu可以在能量回饋模式下進行續流；Sd為能量回饋控制開關，用于控制能量的流向和大小，電容Csd為緩沖電容，反并聯二極管Dsd可以在電動運行模式下進行續流。當車輛處于剎車減速或下坡滑行時，交流電機端反電勢將大于逆變器額定輸入電壓而處于發電狀態，那么檢測單元動作，它封鎖了升壓電路的電子開關Su，同時打開能量回饋開關Sd，系統的能量被反饋到電源側。三相橋式逆變電路工作于VVVF模式下，當車輛根據需求要進行加、減速調節時，只需在給定的速度調節指令下，改變變頻調速電路控制，即可實現速度的調節。另外，以鼠籠型異步電機作驅動電機，從結構上克服了直流電機存在的不足，減少了維護工作，提高了整機系統容量和轉速，大大改善了可靠性和效率。

基于升壓DC-DC雙向變換器與變頻器實現節能型電動車交流驅動系統設計

圖1 節能型電動車交流驅動系統

主要單元電路設計

2、開關管Su控制電路

根據要求，控制芯片需具有軟啟動、過流、欠壓保護等功能，本系統選用Motorola公司的UC3842A，它是一種可以完成反饋電壓比較、誤差放大、過流保護、欠壓保護等功能的電流跟蹤型PWM控制集成電路。

開關管Su控制電路如圖2所示。它的工作特性是：①最高電源電壓Vcc=30V，內部有一個36V的穩壓管可以有效防止高壓竄入造成損壞；②欠壓鎖定功能，啟動電壓閾值為16V，關閉電壓為10V，6V的啟動、關閉差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時產生振蕩；③自帶一個穩定的 5V參考電壓，由引腳8輸出供外部使用，輸出電流為20mA；④輸出高電平為13.5V（Vcc=15V，輸出電流200mA時），低電平為1.5V（輸入電流為200mA時）；⑤高、低電平的上升、下降時間為100ns，電流采樣信號（從引腳3輸入）大于1V時，脈寬調制鎖存器翻轉，輸出引腳6從高電平立即降至低電平，因此，改變電流采樣電阻的大小，就可以改變過流保護動作的閾值。⑥電流跟蹤特性：圖2中流過開關管Su的電流增大時，采樣電阻R21上的采樣電壓就增大，進入UC3842A引腳3的信號相應變大，此時經過3842A內部的調節電路調節，引腳6輸出脈沖的占空比相應變小，使得DC-DC變換器輸出電壓降低，流經Su上的電流相應也變小，起到電流保護作用。

圖2 開關管Su控制電路

在能量回饋時，開關管Sd處于工作狀態，為了保證系統能量充分回饋，同時避免開關管Sd長時間承受大的回饋電流，采用555構成的頻率為20kHz的“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”來驅動Sd。

圖3為“多諧振蕩器+高頻脈沖變壓器”組成的驅動電路，其中由555構成的多諧振蕩器的工作頻率為f=1.43/（R18+2R22）/C19。在該電路中，檢測與互鎖電路控制著555集成塊的引腳4。當引腳4為高電平時，即檢測電路檢測到系統應該進入能量回饋狀態，多諧振蕩器開始向Sd輸出開關脈沖；當引腳4為低電平時，系統處于電動運行狀態下，多諧振蕩器不向Sd輸出開關脈沖。

3、檢測與互鎖電路

在該系統中，檢測與互鎖電路具有異常重要的作用。首先，它通過檢測DC-DC變換器輸出端的電壓大小，來判定是否需要將電路工作模式從電動運行狀態轉入能量回饋狀態或者從能量回饋狀態轉入電動運行狀態；其次，它需要根據檢測及判斷的結果，相應地控制電動運行開關管和能量回饋開關管的驅動電路。圖4為檢測及互鎖電路，其工作原理如下：首先根據DC-DC變換器正常工作時輸出電壓的大小，設定比較器引腳2的參考電壓，并采用電阻分壓器來檢測DC-DC變換器輸出端的電壓。當系統處于下坡減速或剎車制動時，電動機處于發電狀態，那么機端反電勢就大于DC-DC變換器的輸出電壓，也就是電阻分壓器檢測到的比較電壓大于給定的參考電壓，使得比較器翻轉，引腳1輸出為高電平，它迫使三極管Q1導通，將開關管Su的門極信號下拉到低電平;另外，同樣由于分壓器提供給UC3842A引腳2的電壓超出芯片一內部的參考電壓大小，它立即關斷UC3842A向外的脈沖輸出。這兩者很安全地封鎖了開關管Su。同時，比較器引腳1的高電平進入多諧振蕩器的引腳4，開啟了多諧振蕩電路，使整個系統進入到能量回饋狀態下。

4 、主電路智能功率模塊IPM

在本系統中，三相逆變電路具有非常重要的作用，它不僅為鼠籠異步電機提供電源電壓，而且還要對電機進行變頻調速控制。在以往，逆變電路主要采用6個分離的IGBT單元來搭建，需要對每個IGBT單元提供驅動電路、過熱保護電路、過流保護電路，它們要和整個主回路的過壓、短路保護電路及IGBT單元相匹配，使得變頻逆變電路的設計具有相當的難度。然而隨著智能功率模塊（IPM）的出現，這種局面得到了巨大地改變，尤其近幾年內，IPM正在逐步取代普通IGBT模塊。

IPM模塊是以IGBT芯片為主體，將芯片及其門極驅動、控制和過流、過壓、過熱、短路、欠壓鎖定等多種保護與故障檢測電路集成于一體的高性能大功率器件，具有結構緊湊、體積較小、性能穩定、工作可靠、價格適中等優點。因此，結合電動車驅動裝置的基本要求，本系統中選擇三菱公司生產的IPM模塊PS21255-E作逆變電路。

在PS21255-E模塊中，下橋臂的三個管子的漏極在同一點上，該點通過一個小的電流檢測電阻與系統的地相連，可直接用以系統地為參考點的+15V電源進行驅動控制，但是上橋臂三個管子的漏極不在地點，需要通過外部電路，在下橋臂管子導通時，下橋臂的+15V驅動電源同時給外部電容充電，當下橋臂斷開后，電容兩端保持+15V的電壓降，且其低電勢一端正好與上橋臂IGBT管的漏極相連，因此就實現了上橋臂IGBT管門極電壓比漏極高的自舉功能，很好地實現上橋臂管子的驅動。

5、系統加減速

本系統采用SA866AE/AM芯片的VMON和IMON兩個引腳進行加減速控制，控制流程如圖5所示。①如果VMON有效（即VMON≥0.5VDD），則加減速指令無效，該條件具有最高優先，它可防止過度減速時再生能量通過功率管而導致過電壓。通常VMON《0.5VDD時，可以進行加減速調節。②如果IMON有效，無論UP、DOWN處于什么狀態，瞬時頻率都會被降低到預先設置的減速頻率水平上，若在瞬時頻率降到0時，IMON≥VDD，則PWM脈沖輸出截止，此時不能進行任何加減速操作。該條件的優先權比VMON低，它可以防止加速過高導致過流過熱損壞開關管。③當上述二者都無效時，運算法則將綜合比較器的輸出邏輯、DIR引腳控制和計數器信號，一起得出最后的調速控制。