用于新能源电动汽车的45KW同步电机驱动系统的电路设计

摘要

21世纪人们对汽车的依赖程度越来越重，据统计分析，到2020年我国汽车消耗石油的比例将达到67％，因此发展新能源汽车，可以人幅度降低我国对进口石油的依赖，避免大规模的能源危机对我国的影响，对国家正常的能源供应与社会稳定发展有很大的帮助。 电动汽车发展的关键因素之一是其内部的电机驱动系统，它是电动汽车中“大脑”，其性能、安全可靠性与节能性对于整辆车而言至关重要。因此，近些年国内厂商纷纷展开了对电动汽车电机驱动系统的研发。但是，目前市场上的产品还缺乏一定的成熟度，它们在功率密度、复杂工况下的可靠性以及节能性上表现不佳，未达到汽车等级的要求。针对这些问题，本文以本人在西门子电动汽车动力总成系统有限公司为国内某家电动汽车厂商研发大功率电机驱动系统为契机，从多方面因素考虑，在电机驱动系统重要电气零部件的选型与电路设计上进行优化，设计出一款真正适合汽车应用环境要求的产品。 首先，分析比较不同种类电机各自的运行特性与优缺点，并最终选择最适合汽车的同步永磁电机。在驱动系统主电路的元器件的选型上，采用薄膜材质电容作为母线直流电容器，进行一系列结构优化设计，并通过Icepak热仿真进行温度验证，在电容实现小型化的同时，保证了其散热能力与可靠性;与德国英飞凌公司合作，研制了新一代Hybrid PACK系列汽车等级IGBT，将最大结温提升至175℃，并使用电场中止技术(Trench Stop Technology)降低通态损耗，且IGBT底部加入网孔状散热片降低热阻，提高散热能力。最终提高了功率密度，实现了高温环境下输出80KW峰值功率的能力。 其次，在功率模块驱动电路中，设计了软关断与两电平导通关断，起到削弱尖峰电压的作用，不仅降低功率损耗与电磁干扰，更是在大电流与高电压的情况下保护IGBT免遭击穿损坏，并通过实际测试进行了验证。设计了短路退饱和保护电路、同桥臂上下互锁电路与芯片超温保护电路，加强IGBT的可靠性保护。在功率模块开关电源中，设计了LLC准谐振电路，严格选定合适的谐振电感Lr与谐振电容Cr，使之处于感性(ZVS)状态，使得开关电源的驱动MOSFET输出电流为正弦波，实现软开关特性，解决半桥式开关电源中开关损耗以及噪声大的问题。同时通过555电路输出百KHz驱动信号，高频化开关电源电路，最终进一步实现小型化。 随后，设计了霍尔电流检测电路进行三相输出电流检测，利用差分霍尔电路消除共模干扰，提高检测精度;使用U型聚磁片很好地屏蔽了外部磁场耦合，提升电流检测灵敏度与线性度;母线电压采样电路中选用了带∑-△型模一模转换的隔离传输芯片，提升整个电路的分辨率和抗扰能力，并进行了另一路冗余设计确保可靠性。通过输入电源以及元器件的精度与温度系数等参数对IGBT温度采样电路进行最坏条件分析WCA(Worst Case Analysis)进行仿真验证，确保IGBT温度采样电路的高检测精度。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2电机驱动系统在电动汽车中的要求

1．3电动汽车中不同电机的性能比较

1．4课题主要研究内容

第2章电机驱动系统变频主电路的设计

2．1蓄电池

2．1．1高压电池的特性

2．1．2低压电池误接保护电路的设计

2．2直流母线电容

2．2．1汽车用电容种类的选择

2．2．2电容电流的理论计算和仿真

2．2．3薄膜电容器的规格

2．3功率模块器件的选择

2．3．1功率模块的特点

2．3．2汽车用功率模块的选型方法

2．4本章总结

第3章功率模块驱动电路的设计

3．1 IGBT的动态特性

3．2软关断

3．3两电平导通关断

3．4短路退饱和保护

3．5同桥臂上下互锁

3．6芯片超温保护

3．7门极驱动电源的过压与欠压保护

3．8本章总结

第4章功率模块开关电源的设计

4．1驱动电路的开关电源类型

4．2开关电源的信号发生电路

4．3 LLC准谐振驱动电源电路

4．4本章总结

第5章功率模块检测电路的设计

5．1 IGBT三相电流的检测电路

5．1．1电流采样方式的选择

5．1．2霍尔传感器芯片MLX91206的主要特点

5．1．3聚磁片的设计

5．1．4电流采样方式的设计与优化

5．2直流母线电压检测电路

5．3 IGBT功率模块温度检测电路

5．4本章总结

6．1本文总结

6．2课题展望

参考文献

致谢