李良璋，王心堅

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

0 引 言

目前，續(xù)航里程短是制約電動車發(fā)展的一個重要因素。為了提高電動車的續(xù)航里程，除了提高電動車車載電池的能量密度外，對電動車系統(tǒng)能耗的優(yōu)化也是很重要的一個部分，因此，有關(guān)降低系統(tǒng)能耗的研究就一直沒有停止過。電機(jī)控制器逆變電路在電驅(qū)動系統(tǒng)中承擔(dān)著給電機(jī)直接提供三相交流電的任務(wù)，其損耗研究便是電驅(qū)動效率研究中的一個重點(diǎn)。由于在三相逆變電路中的電壓、電流處于高頻變化之中，因此，在實驗中對這些量進(jìn)行測量和記錄就變得十分困難。以往的研究側(cè)重于理論的公式推導(dǎo)。而純理論推導(dǎo)出的結(jié)果由于考慮的因素不夠全面，導(dǎo)致與實際實驗結(jié)果往往相差較大;這就給仿真研究留下了一定的發(fā)揮空間。

本文建立起了較為精確的電驅(qū)動仿真模型，通過仿真實驗，得到了在不同工況下的逆變電路各個元件的功率損耗;對IGBT的損耗作了進(jìn)一步的細(xì)致分析;得到了逆變電路效率，總結(jié)其效率分布規(guī)律并與實際實驗結(jié)果作比較，以驗證仿真分析結(jié)果的正確性。

1 模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)［1］和電驅(qū)動模型以及矢量控制原理，本文建立起了電驅(qū)動仿真模型結(jié)構(gòu)。

圖1 電驅(qū)動模型

根據(jù)三相交流電機(jī)的矢量變換原理，id，iq電流分量的大小決定了三相交流電機(jī)的輸出扭矩大小。該電驅(qū)動模型基于矢量控制原理，對id，iq電流進(jìn)行控制，以達(dá)到對電機(jī)的輸出扭矩的控制目標(biāo)。

根據(jù)以上電驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)，我們在仿真軟件中建立電驅(qū)動仿真模型，分為id，iq控制部分、PWM波生成部分、逆變器部分、電流反饋部分、電機(jī)模型及負(fù)載電機(jī)部分六個部分。

逆變電路模塊是本文的研究重點(diǎn)，其損耗為本文的研究對象。該模塊以PWM波生成模塊所輸出的PWM波和直流電源作為輸入，以三相電流作為輸出直接供給電機(jī)。因此，其工作電壓電流較大，產(chǎn)生的損耗也就較大，成為了電機(jī)控制器損耗研究的研究重點(diǎn)。

搭建出該部分的仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 逆變器仿真模型圖

模型中，IGBT參數(shù)根據(jù)某型逆變器模塊說明中所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

表1 IGBT的仿真參數(shù)

理論上，各相的輸入的PWM波信號供給各相上橋臂IGBT，同時將對應(yīng)的輸入PWM波信號反向運(yùn)算后供給下橋臂IGBT。因此，同一相的上、下兩個橋臂的開關(guān)管控制PWM波信號應(yīng)該是嚴(yán)格互補(bǔ)。

實際情形下，由于IGBT開關(guān)管的開啟關(guān)斷不可能在瞬間完成，而是需要一定的時間，因此會出現(xiàn)上下橋臂同時導(dǎo)通的情況，此時母線短路，其上的電流會很大，會發(fā)生電機(jī)控制器燒毀。在仿真過程中則體現(xiàn)為仿真結(jié)果出現(xiàn)過大尖峰，甚至仿真報錯。在目前的逆變器控制中，為了防止這種情況的出現(xiàn)，一種常用的辦法是引入“死區(qū)”，“死區(qū)”的引入方式有多種，本文采用的是使得上下橋臂的IGBT開啟時刻均延后，在上下橋臂IGBT工作切換時，上下橋臂的IGBT先一同關(guān)斷一段時間，如此便避開了同時導(dǎo)通的情況。這共同關(guān)斷的時間便是“死區(qū)”。

輸入的PWM波信號分為兩路，一路經(jīng)過一個非門，因此，得到了兩路互補(bǔ)的PWM波信號。而后，兩路均經(jīng)過一個buffer緩存延時，使得上升沿均延后4 μs的時間(經(jīng)過仿真實驗確定，IGBT的開啟和關(guān)斷持續(xù)時間在4 μs左右，由于死區(qū)時間過長會造成系統(tǒng)反應(yīng)變慢以及不足反應(yīng)等不良影響，所以設(shè)為延后時間設(shè)為4 μs)。

經(jīng)過死區(qū)生成部分后輸出的PWM波形如圖3所示。

圖3 處理后的PWM波信號

輸出的兩路PWM波信號則分別供給上橋臂的IGBT和下橋臂的IGBT。

在整流電路中，當(dāng)負(fù)載是開關(guān)功率變換器時，由于負(fù)載電流的突變，會產(chǎn)生極高的感應(yīng)電動勢。從這一點(diǎn)看，直流電源不僅僅提供直流電流，而是需要提供帶有豐富交流成分的脈沖電流。這時的直流電源不僅需要低的直流內(nèi)阻，還需要在很寬的頻帶寬度均具有良好的低阻抗，而寬頻段的低阻抗作為整流器的直流電源是不會提供的。要想獲得良好的寬頻段的低阻抗必須應(yīng)用性能良好的電容器，利用電容器電壓不能躍變和電容器容抗隨頻率的升高而降低的特性，用電容器降低直流母線的交流阻抗。

由于這些原因，本文在逆變電路中引入了母線旁路電容，通過監(jiān)控電容的電流發(fā)現(xiàn)，電容的引入也造成了損耗，因此在接下來的分析中，將開關(guān)管損耗、二極管損耗同電容的損耗一并分析研究。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 一個開關(guān)周期內(nèi)的IGBT損耗研究

由于電機(jī)工作過程中，IGBT處于循環(huán)的開關(guān)狀態(tài)，為了更好地研究IGBT的損耗規(guī)律，本文先截取了一個IGBT開關(guān)周期的相關(guān)電壓，電流隨時間的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖4列出了在IGBT一個開關(guān)周期過程中，通過IGBT的電流、其兩端的電壓以及其損耗功率的波形圖。

圖4 一個開關(guān)周期內(nèi)IGBT的電流、其兩端的電壓以及其損耗功率波形圖

由圖4可知，在IGBT的工作中期，開關(guān)損耗功率占據(jù)了總損耗功率的比重較大。這是由于在開啟和關(guān)斷的過程中，電壓和電流不能突變，導(dǎo)致出現(xiàn)高電壓和高電流同時存在的情況。由參考文獻(xiàn)［2］可知，1 s內(nèi)開關(guān)過程中的損耗:

式中:fs代表IGBT的開關(guān)頻率。我們現(xiàn)在研究的是一個開關(guān)周期內(nèi)的IGBT開關(guān)損耗，取fs=1，可得一個開關(guān)周期內(nèi)的損耗:

因此可知，損耗功率同電壓和電流正相關(guān)并且和開啟持續(xù)時間呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系，這同以上圖中所示的仿真結(jié)果是基本吻合的。

2.2 一個開關(guān)周期中的二極管損耗分析

在逆變電路中，IGBT一般會并聯(lián)一個旁路二極管，這個二極管起電流續(xù)流的作用。在IGBT關(guān)閉時，由于感性負(fù)載的緣故，在對應(yīng)的相上的電流并不會立刻降為零，因此，電流便通過同一相的另一橋臂的旁路二極管續(xù)流。

圖5 同一相位的上橋臂IGBT和下橋臂二極管的電流波形圖

圖5顯示了位于同一相位的上橋臂IGBT和下橋臂二極管的電流波形圖。從圖中可以看出二極管電流和IGBT電流呈現(xiàn)互補(bǔ)的關(guān)系，將它們疊加到一起便得到了一個完整的正弦變化電流曲線。所以二極管在IGBT關(guān)閉時起到續(xù)流的作用，單位電周期內(nèi)，IGBT的導(dǎo)通時間越短，則同相另一橋臂上的二極管的導(dǎo)通時間越長;IGBT的導(dǎo)通時電流越大，則當(dāng)其關(guān)閉時，對應(yīng)二極管導(dǎo)通電流也就越大。因此，二極管損耗同IGBT的損耗有較大的關(guān)系。

2.3 不同工作點(diǎn)下的逆變電路損耗分布分析

本文按照轉(zhuǎn)矩不變、轉(zhuǎn)速遞增原則和轉(zhuǎn)速不變、轉(zhuǎn)矩遞增原則分別選取了兩組工作點(diǎn)并經(jīng)過有限元仿真得到相關(guān)參數(shù)，如表2和表3所示。

可以發(fā)現(xiàn)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定，其d，q相電流也是恒定不變的，其轉(zhuǎn)速是由負(fù)載調(diào)速電機(jī)來調(diào)節(jié)。

表2 恒轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)

表3 恒轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)

經(jīng)過仿真分析，得到了逆變電路中各個主要能耗元件在各個工作點(diǎn)上的能量損耗。根據(jù)逆變器的輸入電壓及電流，經(jīng)過MATLAB計算得到逆變器的各個工作點(diǎn)效率，如圖6所示。

圖6 逆變電路效率分布圖

在恒轉(zhuǎn)矩情形下研究IGBT的損耗變化，由于永磁同步電動機(jī)的輸出扭矩大小同定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖辔唤怯嘘P(guān)系，而定子磁鏈由定子電流勵磁產(chǎn)生，所以在恒轉(zhuǎn)矩工作時，轉(zhuǎn)矩同電流有直接的關(guān)系，在本文中選取的幾個恒轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)中，定子電流(id，iq)均相同，由于損耗為電壓和電流的乘積，因此，相同的d，q相電流為接下來的研究工作提供了一定的便利。

參考圖4可以發(fā)現(xiàn)，IGBT一個開啟關(guān)斷循環(huán)功率波形圖中的兩端由于IGBT開啟關(guān)斷造成的功率尖峰在數(shù)量級上遠(yuǎn)大于導(dǎo)通時的功率損耗，基于此，本文認(rèn)為，一個電周期中IGBT的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的比值對IGBT的損耗表現(xiàn)是一個十分重要的參考值。所以，本文對之前的信號導(dǎo)入MATLAB后進(jìn)行進(jìn)一步的分析，分離出導(dǎo)通損耗。計算如表4、表5所示。

表4 恒轉(zhuǎn)矩(70 N·m)導(dǎo)通損耗

表5 IGBT開關(guān)損耗占總損耗的百分比

從表4、表5中可以看出，在轉(zhuǎn)速提高的過程中，導(dǎo)通損耗功率是在增加的。然而由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，逆變電路的總體效率也隨之提高，這說明整體IGBT的總損耗功率是在減小的。所以，其功率減小的原因在于開關(guān)損耗功率的降低，開關(guān)損耗功率占總損耗功率的比重在降低。

而在恒轉(zhuǎn)速的情形下，經(jīng)過計算，可以得到IGBT的損耗功率如表6所示。

表6 恒轉(zhuǎn)速IGBT損耗

可以看出，隨著扭矩的提高，IGBT的損耗功率也隨之提高。然而由于系統(tǒng)的總功率在扭矩增加的過程中也隨之提高，所以系統(tǒng)的效率并沒有太大的變化。

3 其他影響逆變電路損耗規(guī)律的元件損耗規(guī)律研究

3.1 二極管損耗規(guī)律研究

經(jīng)過仿真及MATLAB數(shù)據(jù)處理，我們得到恒轉(zhuǎn)矩條件下的二極管損耗功率。由于各個二極管功耗相同，因此表7列出其中一個二極管的各工況功率損耗。

表7 恒轉(zhuǎn)矩條件下二極管損耗功率

可見，此時二極管的損耗功率隨著轉(zhuǎn)速的提高也呈現(xiàn)出降低的趨勢。

利用MATLAB程序分析，我們可以分別得到占空比分布于十個以10%為梯度的檔位(0～10%，10% ～20%，20% ～30%，…，90% ～100%)內(nèi) PWM波周期數(shù)占整個周期數(shù)的百分比和平均電流值。將二者相乘得到各個檔位內(nèi)相應(yīng)IGBT原件的電流期望如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，IGBT上的導(dǎo)通電流期望偏向高占空比區(qū)域;對應(yīng)的，由于IGBT的工作電流和二極管的工作電流相同而PWM周期互補(bǔ)，因此，二極管的電流期望應(yīng)當(dāng)向低占空比方向偏移。由于扭矩是恒定的，電流正弦波是相同的。這意味著，隨著轉(zhuǎn)速的提高，二極管導(dǎo)通時的電流波形包絡(luò)線是相同的，然而在電流較大時(幅值附近)，其導(dǎo)通時間減少;在電流較小時導(dǎo)通時間延長。因此，隨著轉(zhuǎn)速的提高，二極管的損耗功率呈現(xiàn)下降趨勢。

圖8 IGBT的電流分布期望圖

如表8所示，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，由于相電流的增加，導(dǎo)致了二極管的續(xù)流電流增大，從而二極管的損耗增加。

表8 恒轉(zhuǎn)速工況下二極管損耗功率

3.2 母線電容損耗分析

在本文的逆變電路仿真模型中，母線同4個電容并聯(lián)，電容值為3300 μF，其模型等效圖如圖9所示。

圖9 電容模型等效圖

經(jīng)過仿真，電容上發(fā)生了一定的損耗，經(jīng)過MATLAB計算，我們得到單個電容的各個工作點(diǎn)損耗，如表9、表10所示。

表9 恒轉(zhuǎn)矩工況下電容單管損耗功率

表10 恒轉(zhuǎn)速工況下電容單管損耗功率

從表9、表10的數(shù)據(jù)中可以看出，電容的損耗同電機(jī)的轉(zhuǎn)速并無明顯的關(guān)系;而同電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，即同母線上的電流關(guān)系較大，隨著電機(jī)扭矩的升高，母線電流增加而增加。

4 結(jié) 語

(1)盡管存在著導(dǎo)通損耗，IGBT的損耗主要集中在開關(guān)損耗。造成開關(guān)損耗的主要原因是電流、電壓的變化延遲。

(2)電機(jī)控制器逆變電路的主要損耗為IGBT的能量損耗，其次為并聯(lián)電容、旁路二極管以及電路的其余雜散損耗。

(3)為了降低IGBT開關(guān)管的能量損耗，應(yīng)該對PWM波的生成方式和電機(jī)控制算法二者同時進(jìn)行優(yōu)化。在電機(jī)的運(yùn)行過程中，也應(yīng)讓其盡量工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，以提高逆變器工作效率。

(4)目前，對電機(jī)控制器逆變電路實際運(yùn)行時各元件的損耗功率進(jìn)行精確量化分析還有一定的困難。為了更進(jìn)一步的分析，需要結(jié)合實際電路，獲得更多的電路實際參數(shù)來改進(jìn)模型，這些工作將在后續(xù)開展。

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