【正文】 功率電機(jī)的典型值，此處 cosφ *η的結(jié)果取 。 C 圖 IGBT 功率模塊參數(shù)制約條件 承載電流選擇 額定電流區(qū)間確定總原則： 1) 必須能 夠承受電源的最大額定電流； 2) 集電極峰值電流必須處在 IGBT 開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)； 3) 根據(jù)汽車的工況，能夠承受對(duì)應(yīng)程度的過載； 4) 具有一定的裕量。 給 定 參數(shù)U = 2 8 8 V 。給定電機(jī)的參數(shù)如下： ① 交流感應(yīng)電機(jī)； ② 額定電壓 288V； ③ 額定功率 30KW。本節(jié)分析了 電動(dòng)汽車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì) IGBT 功率模塊的參數(shù)要求。 表 汽車對(duì)功率模塊的需求 汽車對(duì)功率模塊的需求 技術(shù)特性（安裝在引擎罩下） 經(jīng)濟(jì)特性 環(huán)境溫度 制冷進(jìn)風(fēng)口溫度 權(quán)重 40 C? ～ 125 C? 40 C? ～ 105 C? 20英鎊 年需要量為 100， 1000單位的情況下，＄ 6/kW 生產(chǎn)遵守 QS9000 or TS16949 標(biāo)準(zhǔn) 外圍體積 470Inches3 采用模塊化結(jié)構(gòu)，以滿足多種汽車應(yīng)用需要 振動(dòng) 機(jī)械沖擊 10g3軸任意方向 22Gpk 高集成度以減少汽車系統(tǒng)部件數(shù)量 非工作狀態(tài)壽命 15年 工作壽命 直線母線電壓 每相峰值電壓 10,000hrs or 150,000 miles 300 to 480 VDC 600A 容易組裝，可以靠自動(dòng)化設(shè)備或非技術(shù)工人進(jìn)行生產(chǎn) 連續(xù)輸出功率 105 C? ，制冷劑流量 3加侖 /分鐘 125KW IGBT 功率模塊的參數(shù)要求分析 隨著微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件工藝的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多不同性能的電力電子器件。 經(jīng)濟(jì)性需求 經(jīng) 濟(jì)性指標(biāo)包括生產(chǎn)商在不降低質(zhì)量、可靠性以及性能的情況下以較低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)功率模塊的能力。 加 速剎 車A c c e l e r a t i o nB r e a k i n gD C v o l t a g eM o t o r v o l t a g eM o t o r c u r r e n tC r u i s i n g巡 航Voltage[V] 電 壓3 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 0002 0 0 4 0 06 0 0 8 0 005 01 0 01 5 02 0 02 5 0T i m e [ s ]時(shí) 間Current[A]電 流母 線 電 壓電 機(jī) 電 壓電 機(jī) 電 流圖 汽車各工況下， IGBT 工作曲線 3. 高可靠性要求 此外，用于汽車的功率模塊必須和汽車的生命周期保持一致。這就對(duì)功率模塊的功率密度及 散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 根據(jù)不同車輛設(shè)計(jì)，逆變器可 能放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，而 電動(dòng)汽車對(duì)功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下，讓其在冷卻進(jìn)風(fēng)口溫度為 105oC 的情況下正常運(yùn)行。 技術(shù) 性需求 技術(shù)性指標(biāo)指功率模塊滿足汽車在電氣性能、環(huán)境限制、體積以及重量方面的要求，并且能夠在性能、功率體積比、堅(jiān)固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價(jià)格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。 電動(dòng)車用 IGBT 功率模塊的要求 電動(dòng)汽車中所使用的 IGBT 模塊，相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，工作環(huán)境惡劣，對(duì) IGBT 長(zhǎng)期使用的可靠性提出了更高的要求。 綜上， IGBT的 CGE、 CGC都對(duì)關(guān)斷過程起到延緩和阻礙作用。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響 UGE是以一定斜率下降，在 t0′~t1′期間 iC、 UCE維持不變，當(dāng) UGE下降到某一值，在 t1′時(shí)刻后 IGBT進(jìn)入線性放大工作狀態(tài)， UGE開始上升，由于 CGE+CGC的共同耦合電容效應(yīng)，致使 UGE在 t1′~t2′一段時(shí)間內(nèi)保持一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 關(guān)斷過程 IGBT關(guān)斷過程中的電壓電流波形如上圖所示。在 t3時(shí)刻 UCE下降到接 近于 0的管壓降穩(wěn)定值， iC也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值階段，此時(shí) IGBT進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，抑制和阻礙 UGE上升的不利因素都已消失，故此 UGE能以較快的上升率進(jìn)入到最大穩(wěn)定值 ,至此 IGBT的開導(dǎo)過程結(jié)束。此過程中集電極電流 ic從 0開始上升，且在 LE上感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì)隨 ic的上升而增大，由于反電勢(shì)方向是與 UGE相反，因此對(duì) UGE的大小和上升率呈現(xiàn)抵消作用，同時(shí)它又制約和減緩了 ic的增長(zhǎng)。 IGBT 的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT 絕緣柵雙極型晶體管是把 MOSFET 和 BJT 器件集成在一個(gè)芯片上而構(gòu)成的一種復(fù)合器件，它綜合了 MOSFET 和 BJT 的各自優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、驅(qū)動(dòng)電流小、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，代表了當(dāng)前世界上電力電子器件發(fā)展的重要方向。 本章小結(jié) 第 3 章 電動(dòng)汽 車用功率模塊的研究分析 電力電子技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心控制技術(shù)之一，電力電子器件的性能關(guān)系到汽車的可靠性，因此對(duì)器件的性能必須進(jìn)行深入的了解，才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的系統(tǒng)。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服控制 單元與其他控制設(shè)備間的互連能力，從而與 CNC系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡(jiǎn)單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)，甚至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。 5．模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 在國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化 (Factory Automation， FA)技術(shù)在最近 10年來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動(dòng)將系統(tǒng)地參數(shù)整定出來，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。除以上特點(diǎn)之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。 4．智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。同一個(gè)控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變性能，既可以使用電動(dòng)機(jī)本身配 置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已 經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊 (Intelligent Power Module， IPM)。 2．采用新型電力電子半導(dǎo)體器件 目前，伺服控制系統(tǒng)得輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管 (GTR)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)等。 交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 1．全數(shù)字化 采用新型高速微處理器 和專用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。但是它達(dá)到了完全的解耦控制，無需增加解耦器，控制方式簡(jiǎn)單，具有較好動(dòng)態(tài)性能和控制精度。定子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)適用于大范圍弱磁運(yùn)行的情況。 定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方案 定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方案，在一般的調(diào)速范圍內(nèi)可利用定子方程作磁通觀測(cè)器，非常易于實(shí)現(xiàn)且不包括對(duì)溫度變化非常敏感的轉(zhuǎn)子參數(shù)，可達(dá)到相當(dāng)好的動(dòng)靜態(tài)性能，同時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也 相對(duì)簡(jiǎn)單。 氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制方案 氣隙磁場(chǎng)定向系統(tǒng)中磁通關(guān)系和轉(zhuǎn)差關(guān)系中存在藕合，需要增加解耦 器，這使得它比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式復(fù)雜，但具有一些狀態(tài)能直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，比如氣 隙磁通。然而間接磁場(chǎng)定向控制中對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)比較敏感，當(dāng)控制器中這個(gè)參數(shù)不正確時(shí)，計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率也不正確，得出的磁通旋轉(zhuǎn)角度將出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)定向不 準(zhǔn)的問題。下面對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)和比較。 交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)常用方案及其比較 目前交流電機(jī)矢量控制方法應(yīng)用較多、比較成熟的有四種。此外，它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。如何準(zhǔn)確、快速的辨識(shí) 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，以提高整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的魯棒性，一直以來是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。后者是利用電動(dòng)機(jī)電壓、電流和電動(dòng)機(jī)參數(shù)來估算出速度，不用速度傳感器，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系 統(tǒng)、降低 成本、提高可靠性的目的。 近幾年來，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。在 20 世紀(jì) 90 年代以前，主要以 PWM 方 式實(shí)現(xiàn) V/F 控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，但因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想。它的調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點(diǎn) 。人們?yōu)榱私鉀Q此問題想出了兩種方法，一個(gè)是提高開關(guān)頻率，使之高于人耳能感受的范圍，另一種方法就是使用隨機(jī)脈沖頻率PWM 技術(shù)，從改變諧波的頻譜出發(fā)，使逆變器輸出電壓電流諧波均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，以達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械共振的目的。而另外一種應(yīng)用較多的 PWM 技術(shù)是電流滯環(huán)比較 PWM 以及在它基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無差拍控制 PWM 均具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)頻率足夠高的時(shí)候，可以得到非常接近理想正弦的電流波形。其等效的調(diào)制波仍然也含有一定的三次諧波，由于具有控制簡(jiǎn)單、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)極其方便的特點(diǎn)，目前也逐漸有取代傳統(tǒng) SPWM 的趨勢(shì)。從最初的自然采樣正弦脈寬調(diào)制開 始，人們不斷探索改進(jìn)脈寬調(diào)制方法，對(duì)自然采樣的 SPWM 做簡(jiǎn)單的近似，得到規(guī)則采樣算法，在此基礎(chǔ)上，又提出了準(zhǔn)優(yōu)化 PWM 技術(shù)，其實(shí)質(zhì)為在一個(gè)基波上疊加一個(gè)幅值為基波 1/4 的三次諧波，以提高直流電壓利用率。從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，到消除諧波噪聲等。 PWM 技術(shù)最初是在 1964 年 和 發(fā)表文章把通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制變頻變壓的思想，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化開辟了一新的道路。它的高速運(yùn)算能力可實(shí)現(xiàn)高效的控制算法，并且片 內(nèi)集成了用于電機(jī)控制的外圍電路 ，為采用新的控制策略提供了有效的硬件環(huán)境。T 公司的 DSP32 系列。 在微處理器技術(shù)方面， DSP 開始在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用。在功率電子技術(shù)方面，功率開關(guān)元件的發(fā)展己進(jìn)入了第四階段。另外還要求電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。 ，將能量回收并反饋 回蓄電池，使得電動(dòng)汽車具有最佳的能量利用率 。在 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求 。具體有如下要求 : 、過載能力強(qiáng) (過載 3 一 4 倍 )、加速 性能好，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn) 。由于 城市用電動(dòng)汽車頻繁起停，工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運(yùn)行于低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩 區(qū)域，要求電動(dòng)汽車在低轉(zhuǎn)速時(shí)能提供高轉(zhuǎn)矩，在高速時(shí)又能具有寬廣范圍恒 功率運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)性能。 電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與一般的工業(yè)應(yīng)用有很大的不同。電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，其性能、效率、重量 等直接影響電動(dòng)汽車的性能。更要求其具備燃油汽車基本 的行走及載運(yùn)能力，在高速、低速、制動(dòng)、上下坡、加速等工況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能 提供安全可靠的動(dòng)力。 主 控 制 器P W M 功率 轉(zhuǎn) 換 器交 流 感 應(yīng)電 機(jī)機(jī) 械 傳 動(dòng)裝 置能 量 管 理系 統(tǒng)鋰 電 池輔 助 動(dòng) 力源動(dòng) 力 轉(zhuǎn) 向單 元蓄 電 池 充電溫 度 控 制單 元車 輪車 輪電 力 電 子 系 統(tǒng)加 速 踏 板制 動(dòng) 踏 板交 流 電 源輔 助 子 系 統(tǒng)轉(zhuǎn) 向 盤能 源 子 系 統(tǒng)圖 2． 1 電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu) 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本性能要求 電動(dòng)汽車是一種結(jié)構(gòu)緊湊，工況復(fù)雜，具有一定運(yùn)載能力的行走機(jī)械。電動(dòng)汽車顯示出的優(yōu)越性和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力使之成為 21 世紀(jì)各國(guó)政府大力支持發(fā)展的交通工具。電機(jī)可分散配置，可直接控制車輪轉(zhuǎn)速，易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向。 第二章 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 電 動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)零排放，能有效地避免空氣污染。設(shè)計(jì)的主要架構(gòu)選定完后，接下來就是 功率模塊的選擇和 DSP 的外圍電路 的設(shè)計(jì) ， 外圍電路 主要包括 ：檢測(cè)電路，保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路，主電路等。通過對(duì)比不同電機(jī)在電動(dòng)汽車上的使用情況 ,選定了交流感應(yīng)電機(jī)作為控制電機(jī)。 由表 1 也可確定交流感應(yīng)電機(jī)是目前電機(jī)中性能最好的。然而，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，兩個(gè)系統(tǒng)的成本差距將日益趨近。 而且， 這種無刷結(jié)構(gòu)使電樞繞組具有更 具 代表性的區(qū)域，由于通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)有了改善，電負(fù)荷的增加可產(chǎn)生更高的功率密度，而提高整機(jī)運(yùn)行效率。 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中所謂 “直流 ”并不指直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用中這種電動(dòng)機(jī)采用交流方波供電，因此也稱為永磁無刷方波電 動(dòng)機(jī)。但是，由于其磁極端部的磁路嚴(yán)重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，使其在設(shè)計(jì)和控制中要求十分精確。著名的豐田 Prius