碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容建模技術(shù)研究

研究背景

隨著碳化硅(Silicon Carbide, SiC)新型寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的成熟應(yīng)用，可以有效地提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、功率密度等關(guān)鍵性能指標(biāo)。碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在航空航天、軌道交通以及新能源汽車等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注并應(yīng)用。但是，碳化硅功率器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生非常高的電流和電壓變化率，即di/dt 與 du/dt，它們通過電路中寄生電感和寄生電容產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)電磁噪聲。研究碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容建模技術(shù)，分析系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射電磁干擾的機(jī)理，不僅具有非常高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

成果簡介

碳化硅功率器件依托其開關(guān)性能的優(yōu)勢，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用，然而，其過快的開關(guān)響應(yīng)速度及過大的開關(guān)振蕩給系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的EMI問題。通過采用理論分析、建模仿真及物理實(shí)驗(yàn)的方法，研究碳化硅功率器件開關(guān)特性及電機(jī)阻抗特性與系統(tǒng)EMI強(qiáng)度之間的映射關(guān)系，并基于系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)，分析碳化硅功率器件開關(guān)特性及電機(jī)阻抗特性對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI強(qiáng)度的影響。

亮點(diǎn)提煉

1、考慮碳化硅功率半導(dǎo)體器件的寄生參數(shù)，根據(jù)碳化硅器件開關(guān)過程的特點(diǎn)，得到開關(guān)過程中各子狀態(tài)間的邏輯關(guān)系，建立碳化硅功率器件的開關(guān)行為模型，分析其電磁干擾特性，研究碳化硅器件產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理。

圖1 考慮寄生參數(shù)的碳化硅功率器件電路模型

圖2 碳化硅功率器件的開關(guān)波形及其頻譜。(a) 開通階段波形，(b) 關(guān)斷階段波形，(c) 頻譜

2、首先利用阻抗分析儀測量了電機(jī)的共模及差模阻抗，基于電機(jī)繞組的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及阻抗特性，采用分布參數(shù)結(jié)合集總參數(shù)的形式，建立了三相永磁同步電機(jī)寬頻等效電路模型。根據(jù)電機(jī)在不同頻段的阻抗特性，運(yùn)用等效電路簡化法，分段求解電機(jī)模型的電氣參數(shù)。通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了電機(jī)寬頻模型的有效性。

圖3 電機(jī)的阻抗特性曲線。(a) 共模阻抗，(b) 差模阻抗

圖4 三相永磁同步電機(jī)寬頻等效電路模型

圖5 基于電機(jī)寬頻等效模型的阻抗特性曲線與實(shí)測結(jié)果之間的對(duì)比。(a) 共模阻抗，(b) 差模阻抗

3、基于碳化硅功率器件的開關(guān)行為模型和電機(jī)的寬頻等效電路模型，分析碳化硅功率器件的開關(guān)特性以及電機(jī)的阻抗特性對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的影響；通過建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容仿真模型，研究電機(jī)阻抗特性與碳化硅功率器件開關(guān)波形、系統(tǒng)共模電壓、系統(tǒng)共模電流之間的頻域映射關(guān)系。

圖6 典型三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

(a)

(b)

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電壓和共模電流仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。(a) 共模電壓頻譜，(b) 共模電流頻譜

前景與應(yīng)用

新能源電動(dòng)汽車未來如果大規(guī)模采用碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將成為電動(dòng)汽車中最重要的一個(gè)電磁干擾源。電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容問題十分復(fù)雜，而對(duì)已經(jīng)生產(chǎn)完成的系統(tǒng)再按照相應(yīng)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，對(duì)不符合測試標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、整改，將使得生產(chǎn)成本大大增加，而最終能否徹底解決系統(tǒng)的電磁兼容問題還并不確定。因此，研究碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理，能夠幫助制造商更好的控制生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，具有重要的工程意義。

審核編輯 ：李倩