摘要：永磁同步電機(jī)因具有高效、可靠和低噪音等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的應(yīng)用，而與其相配套的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的性能、能效等方面的表現(xiàn)有直接的影響。基于此，探討了永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中的重要性，深入分析了電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)和要點(diǎn)，研究結(jié)論可供同行工程人員參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；永磁同步電機(jī)；SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U462 收稿日期：2024-07-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.025

1 前言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，電動(dòng)汽車(chē)作為替代傳統(tǒng)燃油車(chē)輛的清潔能源交通方式正逐漸成為主流。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接決定車(chē)輛的性能，而電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)（PMSM）是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選，其SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于可靠性、效率和性能方面。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何充分發(fā)揮電機(jī)和SiC的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高功率密度、高轉(zhuǎn)速和復(fù)雜工況下面臨的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮電機(jī)與SiC之間的匹配性、散熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性等方面的問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2 永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中的重要性

電動(dòng)汽車(chē)的性能和續(xù)航能力直接受到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率的影響。SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電能從電池到電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)換，最大限度地減少能量損耗，從而提高車(chē)輛的能效，延長(zhǎng)續(xù)航里程。電動(dòng)汽車(chē)需要根據(jù)不同駕駛場(chǎng)景提供動(dòng)力輸出的精確控制，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和駕駛體驗(yàn)。SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)精密的控制算法和快速的開(kāi)關(guān)切換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM電機(jī)的精確控制，包括轉(zhuǎn)速和扭矩等方面的調(diào)節(jié)，從而提供更加穩(wěn)定、高效的動(dòng)力輸出。

在電動(dòng)汽車(chē)中，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性要求極高，任何故障都可能導(dǎo)致車(chē)輛失去動(dòng)力或者發(fā)生安全隱患。SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和可靠的設(shè)計(jì)，能夠確保電能的穩(wěn)定傳輸，并且具備過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等功能，有效地降低了系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了車(chē)輛的安全性和可靠性。SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于輕量化和高性能的要求，它們的高度集成化設(shè)計(jì)也有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的布局和安裝，提高了整車(chē)的制造效率和降低生產(chǎn)成本。

SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中扮演著至關(guān)重要的角色，不僅可以提高電能轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制，而且能夠確保電力傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展邁向更加高效、可靠和智能的方向。

3 硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 控制電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于PMSM電機(jī)是高精度電機(jī)，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制要求極高，控制電路需要設(shè)計(jì)高性能的電流、速度閉環(huán)控制算法，并且實(shí)現(xiàn)這些算法需要高精度的傳感器和準(zhǔn)確的測(cè)量電路，在這方面，誤差補(bǔ)償、反饋延遲和系統(tǒng)響應(yīng)速度是需要充分考慮和解決的問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)中的空間和重量都是重要的考慮因素，控制電路需要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率密度，這意味著設(shè)計(jì)中需要使用更高效、更緊湊的電子元件，并且要解決散熱和電磁兼容性等問(wèn)題。

SiC作為功率開(kāi)關(guān)元件，在高頻率下nloVpYR0IG7epgLP3/5kCJrdxUA+maljRTryNcOJ/Is=的開(kāi)關(guān)損耗、溫升和電壓波形的控制都是需要仔細(xì)考慮的難點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)性能方面，控制電路需要能夠快速響應(yīng)各種負(fù)載和速度變化，并且能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在穩(wěn)態(tài)性能方面，控制電路需要能夠在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中保持高效率和穩(wěn)定性，同時(shí)避免因?yàn)檫^(guò)載、過(guò)熱等問(wèn)題導(dǎo)致系統(tǒng)失效。電動(dòng)汽車(chē)是一種高度依賴(lài)電力系統(tǒng)的交通工具，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到車(chē)輛的安全和可靠性，控制電路需要具備完善的故障檢測(cè)、保護(hù)和容錯(cuò)機(jī)制，以確保在各種異常情況下能夠及時(shí)停止電機(jī)并保護(hù)系統(tǒng)和駕乘人員的安全。

3.2 熱管理設(shè)計(jì)難點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常需要輸出高功率，而高功率的輸出會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。在SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，功率晶體管的工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果熱量無(wú)法有效地散發(fā)或處理，將導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱，進(jìn)而影響整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，如何有效地進(jìn)行熱量管理成為設(shè)計(jì)中的首要難點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)在不同的工作條件下會(huì)面臨不同的熱負(fù)荷，例如在高速行駛或者急加速時(shí)，電機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)和負(fù)載都會(huì)增加，從而增加了SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生，在低速行駛或者長(zhǎng)時(shí)間擁堵情況下，系統(tǒng)的熱量散發(fā)則會(huì)受到限制，需要在設(shè)計(jì)中考慮不同工況下的熱管理策略，確保系統(tǒng)在各種情況下都能夠有效地控制溫度。SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成密度較高，元器件之間的熱耦合效應(yīng)也會(huì)增加熱管理的難度，當(dāng)一個(gè)元器件發(fā)熱時(shí)，周?chē)脑骷赡軙?huì)受到影響，進(jìn)而形成熱點(diǎn)區(qū)域，導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，這就需要在設(shè)計(jì)中采取合適的隔熱措施和散熱結(jié)構(gòu)，以避免熱點(diǎn)區(qū)域的出現(xiàn)，并確保整個(gè)系統(tǒng)的溫度均勻分布。

4 硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 SiC功率模塊選取與配置

選擇合適的SiC功率模塊應(yīng)考慮到電動(dòng)汽車(chē)的功率需求和工作環(huán)境條件。通常情況下，功率模塊的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的額定電流，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，應(yīng)考慮到功率模塊的工作溫度范圍、散熱性能和可靠性等因素，選擇具有良好的性能指標(biāo)和適用范圍的產(chǎn)品。例如，常用的SiC功率模塊封裝形式有HPD、半橋、單管等，它們具有不同的額定電流、耐壓和散熱形式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇。配置SiC功率模塊應(yīng)注意匹配驅(qū)動(dòng)電路和散熱系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

在驅(qū)動(dòng)電路方面，應(yīng)選用高性能的驅(qū)動(dòng)芯片，如NXP-GD3160等，以確保SiC的正常工作和保護(hù)功能，應(yīng)注意驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和布局，減小驅(qū)動(dòng)回路的寄生參數(shù)，提高驅(qū)動(dòng)速度和響應(yīng)性[1]。在散熱系統(tǒng)方面，應(yīng)合理設(shè)計(jì)散熱器的尺寸和水道布局，確保功率模塊在高負(fù)載工況下的穩(wěn)定工作溫度，提高散熱效率。配置SiC功率模塊應(yīng)注意保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，常見(jiàn)的保護(hù)功能包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和短路保護(hù)等，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電路中添加相應(yīng)的保護(hù)電路和檢測(cè)元件，及時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)功率模塊的異常工況。

應(yīng)配備完善的故障診斷和報(bào)警系統(tǒng)，提供準(zhǔn)確的故障信息和處理建議，確保電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。例如，可以通過(guò)添加電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器等元件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)控制器進(jìn)行故障診斷和處理。通過(guò)選擇合適的SiC封裝形式和規(guī)格，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)功率模塊的穩(wěn)定工作和高效性能，通過(guò)添加保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，為電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

4.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的SiC驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單級(jí)逆變器、雙級(jí)逆變器、三級(jí)逆變器（圖1）等，在選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮功率級(jí)別、電氣特性、成本和可靠性等因素。例如，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，通常采用雙級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)，可以提高效率和降低電磁干擾。在設(shè)計(jì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要選擇適合的功率器件，如SiC、二極管等，并確定其參數(shù)，如額定電壓、額定電流、導(dǎo)通壓降等，這些參數(shù)直接影響著電路的性能和穩(wěn)定性。例如，選擇額定電流適當(dāng)?shù)腟iC，可以提高電路的可靠性和功率密度[2]。

驅(qū)動(dòng)電路是控制SiC開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵，直接影響著電路的開(kāi)關(guān)速度和效率。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要考慮到SiC的特性和工作條件，合理選擇驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流和保護(hù)功能。例如，采用隔離的驅(qū)動(dòng)電路可以提高電路的抗干擾能力和安全性。良好的電路布局和散熱設(shè)計(jì)可以提高電路的穩(wěn)定性和可靠性，減少電路損耗并延長(zhǎng)器件壽命。

在設(shè)計(jì)電路布局時(shí)，需要考慮到信號(hào)傳輸路徑、電源線路、地線布局等因素，盡量減小電路的電磁干擾，合理設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)和散熱系統(tǒng)，確保器件在工作過(guò)程中能夠有效散熱，防止過(guò)熱損壞。在完成電路設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行電路仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保電路的性能和穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求，通過(guò)仿真軟件可以模擬電路的工作過(guò)程，分析電壓、電流、功率等參數(shù)的波形變化，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證電路的實(shí)際工作性能，保證其在各種工況下都能正常穩(wěn)定工作。

電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)涉及電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率器件選型、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、布局散熱設(shè)計(jì)以及仿真驗(yàn)證等多個(gè)方面，只有在這些方面都考慮到位，才能夠設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的電路系統(tǒng)，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的高效運(yùn)行需求。

4.3 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)

需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行分析，確定可能產(chǎn)生電磁干擾的元器件和模塊，這些元器件和模塊包括但不限于電機(jī)、SiC模塊、電源模塊、控制器等，針對(duì)這些可能產(chǎn)生電磁干擾的部分，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行抑制和防范。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件布局和線路設(shè)計(jì)，需要遵循一定的電磁兼容性原則。例如，應(yīng)該盡量減少線路長(zhǎng)度，降低線路的阻抗和電感，減小回路面積，以減少電磁輻射和敏感性，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，要合理布局元器件，盡量避免產(chǎn)生電磁干擾的熱點(diǎn)區(qū)域，減少信號(hào)線和功率線的交叉和平行布置，以降低互相干擾的可能性。

在電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常見(jiàn)的抑制器件包括濾波電容、濾波電感、電磁屏蔽罩等，通過(guò)合理選取和配置這些器件，可以有效地抑制系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁干擾，并減小對(duì)外部環(huán)境的干擾。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試和驗(yàn)證，這包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩個(gè)方面的測(cè)試，傳導(dǎo)干擾測(cè)試主要是針對(duì)系統(tǒng)中的各種線路和接口，檢測(cè)其傳導(dǎo)電磁干擾的情況；而輻射干擾測(cè)試則是檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射是否符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)中存在的電磁兼容性問(wèn)題，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的變化，可能會(huì)出現(xiàn)新的電磁干擾問(wèn)題和挑戰(zhàn)，需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)，提高系統(tǒng)的電磁兼容性水平，保障電動(dòng)汽車(chē)的安全性和可靠性[3]。

4.4 電路原理圖繪制

在繪制電路原理圖之前，需要明確整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能模塊，典型的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括功率電路、控制電路、保護(hù)電路等模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)規(guī)范，確定各個(gè)功能模塊的位置和連接方式，為后續(xù)的電路原理圖繪制奠定基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，選擇適合的SiC功率模塊、電感、電容、電阻等元器件，考慮到PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性要求，需要選擇質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良的器件，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，注意元器件的參數(shù)匹配和功率容量，確保電路設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊，繪制電路連接圖，將各個(gè)功能模塊的主要器件按照功能連接起來(lái)，形成整體電路框架，逐步細(xì)化各個(gè)模塊的內(nèi)部連接，包括電源輸入、信號(hào)輸入輸出、控制信號(hào)傳輸?shù)?，在繪制過(guò)程中，要注意連接線的規(guī)劃和布局，保持電路圖的清晰易讀[4]。PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的SiC功率模塊等器件容易受到過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等因素的影響，需要添加相應(yīng)的保護(hù)電路，保護(hù)關(guān)鍵器件和電路不受損壞，常見(jiàn)的保護(hù)電路包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等，在電路原理圖中，將保護(hù)電路合理布局，并與主電路連接，確保保護(hù)功能的有效性。PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制電路包括逆變控制、PWM控制、速度閉環(huán)控制等，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，繪制相應(yīng)的控制電路，并與功率電路連接起來(lái)，在繪制控制電路時(shí)，要注意信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，確?？刂葡到y(tǒng)的靈活性和精確性。

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展中具有重要意義，只有通過(guò)不斷深入研究和實(shí)踐探索，才能不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高電動(dòng)汽車(chē)的整體性能和可靠性，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步，為構(gòu)建綠色、智能、可持續(xù)的交通系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)將更加智能化、高效化，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將更加緊密地融合，新型材料和制造工藝將進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

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