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车用电机驱动系统是电动汽车的核心技术之一,研发商功率密度、高可靠性的电机驱动系统须综合考虑IGBT开关暂态(5us以下)、变流器PWM(50~100us)过程以及系统控制环动态响应(10~20ms),进行器件选型和变流器电气、机械和热设计。本文以电动汽车驱动变流器为研究对象,研究有源器件与无源器件的建模以及变流器各杂散参数对开关暂态、PWM过程以及系统动态响应的影响,以优化车用电机驱动系统设计、提高可靠性。
在分析国内外IGBT建模思路及实现方法的基础上,针对IGBT建模中存在的IGBT极间电容实现、模型参数的抽取以及仿真收敛性等问题进行了研究,采用PSPICE软件建立了行为模型,静态平均误差小于8%,比较了电压电流开关细节及动态参数,动态误差在10%以内,提高了模型收敛性;针对Hefner物理模型参数提取复杂的问题,提出了基于对器件datasheet及实验测试的参数抽取的方法;设计了IGBT测试电路,以三菱CM600DY-24A-E功率器件为例建模,实验验证了仿真结果。同时,基于功率半导体二极管内载流子运动规律以及PN结的电荷分布特性,采用PSPICE软件描述PIN二极管的静态和动态特性方程,建立了能正确反映PIN二极管正向和反向恢复特性的电路模型。
对车用变流器电容、叠层母排等的数学模型进行分析,采用ANSOFT Q3D建立了真实结构叠层母排的数学模型,对三相逆变器不同开关状态下母排电流的分布进行了分析,提出了考虑开关暂态的母排设计原则;建立了车用变流器的导线、电容、电感的高频模型,研究了变流器的杂散参数提取方法,为车用变流器设计提供指导。
建立了基于PSPICE的逆变器驱动系统仿真平台;推导了电动汽车直流侧电容电流有效值的表达式,结合PSPICE仿真平台研究了功率因数、调制比及电路寄生参数对直流侧电容电流及其纹波的影响。在变流器开关暂态研究方面,分析了IGBT开关暂态与器件参数、吸收电路参数的关系,提出了抑制电压过冲的措施;分析了RG、寄生电感特别是发射极寄生电感对开关损耗的影响,以及IGBT器件特性、封装寄生参数对IGBT并联静、动态均流的影响,为驱动电路及布局设计打下基础。