适合电动汽车和工业应用的逆变器综合解决方案

shuszhao · 发表于 2018-6-27 14:09:18

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在工业运用领域，绝大多电力驱动均采用异步电机，而汽车驱动则使用永磁同步电机。对于汽车和工业应用而言，制造商按照IEC60034-18041标准规定将此类电机在逆变器端的最大允许电压上升率限定为5kV/µs左右。为获得较高的能源效率，逆变器功率半导体运行的开关频率范围为4kHz~15kHz。本文将会介绍适合电动汽车和工业应用的逆变器综合解决方案。
在工业运用领域，绝大多电力驱动均采用异步电机，而汽车驱动则使用永磁同步电机。对于汽车和工业应用而言，制造商按照IEC60034-18041标准规定将此类电机在逆变器端的最大允许电压上升率(dv/dt)限定为5kV/µs左右。其原因在于绕组的介电强度。当逆变器驱动此类电机时，绕组的寄生电容以及逆变器的电压变化率(dv/dt)会导致出现较高的对地泄漏电流。这些电流能够导致轴承出现火花，并造成表面侵蚀，进而严重影响轴承的使用寿命。
为获得较高的能源效率，逆变器功率半导体运行的开关频率范围为4kHz~15kHz。而这些必要的转换速率和开关频率则会导致频率范围出现约1MHz左右的高振幅谐波。尤其在汽车运用中，电力驱动会对中波(MW)段(526.5kHz~1606.5kHz)造成极大的干扰，并导致在车内几乎无法接收中波信号。
新产品带来显著改善
为研制出一个能与电机完美匹配，并具有电磁兼容性的逆变器，英飞凌科技公司(Infineon Technologies)和TDK集团开始重新研发关键元件，并使之完美配合，进而对现有的HybridPACK1进行改进。除采用具有705V的介电强度的最新款IGBT3芯片外，新的HybridPACK模块还具有六个直流(DC)端口，而之前设计中仅有两个端口(见图1)。此外，研发过程中还相应地对爱普科斯(EPCOS)直流链路电容器进行了改良，使得直流链路中的等效串联电感(ESL)能够从30nH降低至15nH，而在断开额定电流为400A的绝缘栅双极晶体管(IGBT)时所产生的过电压则能相应地从500V降至420V(请参见图2)。

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图1：HybridPACK1-DC6 IGBT模块，新款HybridPACK1-DC6的设计电压和电流分别为705V和400A，并采用六个直流端口的汇流条，因此具有较低的电感。
连同与直流链路电容器连接的汇流条，额外提供的四个直流端口将能够增强HybridPACK模块的电流通流能力。故而，新款HybridPACK1-DC6模块专为将来更加高效的、具有更高电流通流能力的IGBT技术而设计。对于目前采用两个直流端口设计的HybridPACK1模块，通过HybridPACK1-DC6模块可轻松扩展其功率容量，因为新模块与其前任设计具有相同的尺寸。这为xEV运用提供良好的扩展性。
得益于集成式汇流条，采用两个直流端口设计的HybridPACK1模块结构比较紧凑。而出于兼容性的考虑，新款HybridPACK1-DC6模块则继续沿用这一设计。与EPCOS直流链路电容器连接的外部汇流条能够更好地分布直流供电电流，进而确保模块实现更高利用率。图2(见右图)显示为通过额定电流为400V的内部汇流条的电流流向。这表示EPCOS直流链路电容器汇流条和模块之间的电流能够获得对称均匀的分布。

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图2：显著降低过电压，由于在转换时具有较低的电压尖峰，因此IGBT模块和电机均能够得到很好的保护。
EPCOS直流链路电容器能够阻止直流链路中的噪音
另一款新研发的产品则是EPCOS B25655P4477J直流链路电容器。该款电容器的端口专为精确配合IGBT模块的直流端口而设计，其设计原理主要基于专为英飞凌的HybirdPACK和EASY系列产品而设计的EPCOS现有电容器。该系列电容器有两种型号，其一是电容为470µF，额定电压为450V DC或500V DC，尺寸仅为154mm◊72mm◊50mm的型号。这一节省空间的设计基于能够利用一块叠片式薄膜让电容器外壳获得将近1的体积填充因数的电力电容器芯片(PCC)技术。其二为价格最为经济，电容为380µF的平绕组型号(B25655P4387J)。上述两个型号均可配备或不配备直接连接EMC(电磁兼容性)滤波器的接口。

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图3：节省空间的EPCOS直流链路电容器，得益于电力电容器芯片(PCC)技术，可获得将近1的体积填充因数。
在无屏蔽电缆的情况下获得高EMC性能
TDK集团还研发出一系列双路电压直流滤波器。该滤波器专为汽车的电力驱动量身定制，符合《联合国欧洲经济委员会第10号法规(第5版)》中关于EMC性能的所有规定。P100316 * 系列EPCOS高电压直流滤波器(见图4)最大工作电压达600V DC，非常适合使用高压电池供电的典型高压应用。滤波器的电流流通量为直流150A或350A，这意味着滤波器可适用于输出功率高达100 kW驱动系统。所有型号滤波器的直流电阻仅为0.05mΩ，即使在大电流情况下亦不会有明显损耗。

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图4：用于汽车逆变器的EPCOS高电压直流滤波器。
P001信号的接口采用专门设计，可直接与EPCOS直流链路电容器相连，不仅结构紧凑，而且还具备低电感和触点电阻等一系列优异的电气特性。
滤波器的效能极高，故而电池和逆变器之间无需采用通常的屏蔽电缆(见图5)。这不仅具有成本和重量优势，还能确保更好的长期稳定性，且无需使用昂贵、易出故障的屏蔽联接。

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图5：使用EPCOS高电直流电磁兼容性(EMC)滤波器时的辐射值。
显而易见：通过在电池和逆变器之间使用新款EMC滤波器，能够在使用无屏蔽电缆的情况下大幅降低传导干扰。
尽管仅使用一根无屏蔽直流电缆，采用EPCOS高电压直流EMC滤波器仍能够将传导干扰降低最大至70dB，这样当于获得3000倍的屏蔽效能。而这并非唯一优势：新款滤波器还能大幅减少独立系统元件所需的常规类EMC测试次数。
除优异的电气参数外，滤波器还具有重量轻和尺寸紧凑的优点，而这些技术参数对于滤波器在汽车领域的运用极为关键。根据不同的型号，产品尺寸范围为186mm◊65mm◊65mm到121mm◊52mm◊52mm，客户可根据需要自行选择。除具有常规的共模抑制比的型号外，我们还提供在150kHz至300kHz的长波波谱范围内具有高滤波效果的型号。
EPCOS铁氧体磁芯延长电机的使用寿命
在逆变器的输出端，陡峭的脉冲边缘能够造成电压尖峰，而这一电压尖峰通过电机电缆寄生电感进一步扩大。在不利的环境条件下，这些电压尖峰将会造成能够损坏电机绕组的电弧放电现象。同时，逆变器的开关频率还能导致电机绕组及其机壳(地面电位)之间产生较高的寄生电容，从而造成通过电机轴承出现漏电流，进而产生电火花。
通过铁氧体环形磁芯将电机电缆引至逆变器输出端是针对上述现象的一个补救方法。而由于磁芯能够降低电压变化率(dv/dt)，因此还能明显降低共模干扰，并将漏电流降至无关紧要的低水平，这能够确保符合第I级至第III级的限制规定(见图6)。为此，TDK集团特提供一系列涵盖较宽频谱的B64290L * 系列的不同尺寸的环形磁芯的铁氧体材料，且所有产品均针对特定的频率范围和温度进行了优化，能够适用于所有驱动系统。鉴于此，我们推荐客户选用EPCOS EMC扼流圈所采用的铁氧体材料，例如T65、N30和N87等。

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图6：共模干扰的衰减， EPCOS铁氧体环形磁芯能够确保符合第I级至第III级的限制规定。
此外，英飞凌还专为HybridPACK1 DC6模块研发出一款全新的驱动板。该款驱动板基于久经考验的英飞凌栅极驱动IC的1ED020I12FA2系列进行研发。此驱动板能够保证高效的EMC协调运行，并能确保此次改良配置能轻松实现。最终，我们能够获得涵盖IGBT模块、直流链路电容器、EMC滤波器和栅极驱动的基本功率输出级，并且我们从一开始就充分考虑到所有必要的EMC要求。
表1：逆变器物料清单

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