適合電動(dòng)汽車和工業(yè)應(yīng)用的逆變器綜合解決方案

　　在工業(yè)運(yùn)用領(lǐng)域，絕大多電力驅(qū)動(dòng)均采用異步電機(jī)，而汽車驅(qū)動(dòng)則使用永磁同步電機(jī)。對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用而言，制造商按照IEC60034-18041標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將此類電機(jī)在逆變器端的最大允許電壓上升率限定為5kV/s左右。為獲得較高的能源效率，逆變器功率半導(dǎo)體運(yùn)行的開關(guān)頻率范圍為4kHz~15kHz。本文將會(huì)介紹適合電動(dòng)汽車和工業(yè)應(yīng)用的逆變器綜合解決方案。
　　在工業(yè)運(yùn)用領(lǐng)域，絕大多電力驅(qū)動(dòng)均采用異步電機(jī)，而汽車驅(qū)動(dòng)則使用永磁同步電機(jī)。對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用而言，制造商按照IEC60034-18041標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將此類電機(jī)在逆變器端的最大允許電壓上升率(dv/dt)限定為5kV/?s左右。其原因在于繞組的介電強(qiáng)度。當(dāng)逆變器驅(qū)動(dòng)此類電機(jī)時(shí)，繞組的寄生電容以及逆變器的電壓變化率(dv/dt)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較高的對(duì)地泄漏電流。這些電流能夠?qū)е螺S承出現(xiàn)火花，并造成表面侵蝕，進(jìn)而嚴(yán)重影響軸承的使用壽命。
　　為獲得較高的能源效率，逆變器功率半導(dǎo)體運(yùn)行的開關(guān)頻率范圍為4kHz~15kHz。而這些必要的轉(zhuǎn)換速率和開關(guān)頻率則會(huì)導(dǎo)致頻率范圍出現(xiàn)約1MHz左右的高振幅諧波。尤其在汽車運(yùn)用中，電力驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)中波(MW)段(526.5kHz~1606.5kHz)造成極大的干擾，并導(dǎo)致在車內(nèi)幾乎無法接收中波信號(hào)。
　　新產(chǎn)品帶來顯著改善
　　為研制出一個(gè)能與電機(jī)完美匹配，并具有電磁兼容性的逆變器，英飛凌科技公司(Infineon Technologies)和TDK集團(tuán)開始重新研發(fā)關(guān)鍵元件，并使之完美配合，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有的HybridPACK1進(jìn)行改進(jìn)。除采用具有705V的介電強(qiáng)度的最新款I(lǐng)GBT3芯片外，新的HybridPACK模塊還具有六個(gè)直流(DC)端口，而之前設(shè)計(jì)中僅有兩個(gè)端口(見圖1)。此外，研發(fā)過程中還相應(yīng)地對(duì)愛普科斯(EPCOS)直流鏈路電容器進(jìn)行了改良，使得直流鏈路中的等效串聯(lián)電感(ESL)能夠從30nH降低至15nH，而在斷開額定電流為400A的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)時(shí)所產(chǎn)生的過電壓則能相應(yīng)地從500V降至420V(請(qǐng)參見圖2)。
　

        圖1：HybridPACK1-DC6 IGBT模塊，新款HybridPACK1-DC6的設(shè)計(jì)電壓和電流分別為705V和400A，并采用六個(gè)直流端口的匯流條，因此具有較低的電感。
　　連同與直流鏈路電容器連接的匯流條，額外提供的四個(gè)直流端口將能夠增強(qiáng)HybridPACK模塊的電流通流能力。故而，新款HybridPACK1-DC6模塊專為將來更加高效的、具有更高電流通流能力的IGBT技術(shù)而設(shè)計(jì)。對(duì)于目前采用兩個(gè)直流端口設(shè)計(jì)的HybridPACK1模塊，通過HybridPACK1-DC6模塊可輕松擴(kuò)展其功率容量，因?yàn)樾履K與其前任設(shè)計(jì)具有相同的尺寸。這為xEV運(yùn)用提供良好的擴(kuò)展性。
　　得益于集成式匯流條，采用兩個(gè)直流端口設(shè)計(jì)的HybridPACK1模塊結(jié)構(gòu)比較緊湊。而出于兼容性的考慮，新款HybridPACK1-DC6模塊則繼續(xù)沿用這一設(shè)計(jì)。與EPCOS直流鏈路電容器連接的外部匯流條能夠更好地分布直流供電電流，進(jìn)而確保模塊實(shí)現(xiàn)更高利用率。圖2(見右圖)顯示為通過額定電流為400V的內(nèi)部匯流條的電流流向。這表示EPCOS直流鏈路電容器匯流條和模塊之間的電流能夠獲得對(duì)稱均勻的分布。

　    圖2：顯著降低過電壓，由于在轉(zhuǎn)換時(shí)具有較低的電壓尖峰，因此IGBT模塊和電機(jī)均能夠得到很好的保護(hù)。
　　EPCOS直流鏈路電容器能夠阻止直流鏈路中的噪音
　　另一款新研發(fā)的產(chǎn)品則是EPCOS B25655P4477J直流鏈路電容器。該款電容器的端口專為精確配合IGBT模塊的直流端口而設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理主要基于專為英飛凌的HybirdPACK和EASY系列產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的EPCOS現(xiàn)有電容器。該系列電容器有兩種型號(hào)，其一是電容為470F，額定電壓為450V DC或500V DC，尺寸僅為154mm72mm50mm的型號(hào)。這一節(jié)省空間的設(shè)計(jì)基于能夠利用一塊疊片式薄膜讓電容器外殼獲得將近1的體積填充因數(shù)的電力電容器芯片(PCC)技術(shù)。其二為價(jià)格最為經(jīng)濟(jì)，電容為380F的平繞組型號(hào)(B25655P4387J)。上述兩個(gè)型號(hào)均可配備或不配備直接連接EMC(電磁兼容性)濾波器的接口。
　　

        圖3：節(jié)省空間的EPCOS直流鏈路電容器，得益于電力電容器芯片(PCC)技術(shù)，可獲得將近1的體積填充因數(shù)。
　　在無屏蔽電纜的情況下獲得高EMC性能
　　TDK集團(tuán)還研發(fā)出一系列雙路電壓直流濾波器。該濾波器專為汽車的電力驅(qū)動(dòng)量身定制，符合《聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)第10號(hào)法規(guī)(第5版)》中關(guān)于EMC性能的所有規(guī)定。P100316 * 系列EPCOS高電壓直流濾波器(見圖4)最大工作電壓達(dá)600V DC，非常適合使用高壓電池供電的典型高壓應(yīng)用。濾波器的電流流通量為直流150A或350A，這意味著濾波器可適用于輸出功率高達(dá)100 kW驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所有型號(hào)濾波器的直流電阻僅為0.05m，即使在大電流情況下亦不會(huì)有明顯損耗。

　　圖4：用于汽車逆變器的EPCOS高電壓直流濾波器。
　　P001信號(hào)的接口采用專門設(shè)計(jì)，可直接與EPCOS直流鏈路電容器相連，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且還具備低電感和觸點(diǎn) 電阻等一系列優(yōu)異的電氣特性。
　　濾波器的效能極高，故而電池和逆變器之間無需采用通常的屏蔽電纜(見圖5)。這不僅具有成本和重量?jī)?yōu)勢(shì)，還能確保 更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且無需使用昂貴、易出故障的屏蔽聯(lián)接。
　　

      圖5：使用EPCOS高電直流電磁兼容性(EMC)濾波器時(shí)的輻射值。
　　顯而易見：通過在電池和逆變器之間使用新款EMC濾波器，能夠在使用無屏蔽電纜的情況下大幅降低傳導(dǎo)干擾。
　　盡管僅使用一根無屏蔽直流電纜，采用EPCOS高電壓直流EMC濾波器仍能夠?qū)鲗?dǎo)干擾降低最大至70dB，這樣當(dāng)于獲得3000倍的屏蔽效能。而這并非唯一優(yōu)勢(shì)：新款濾波器還能大幅減少獨(dú)立系統(tǒng)元件所需的常規(guī)類EMC測(cè)試次數(shù)。
　　除優(yōu)異的電氣參數(shù)外，濾波器還具有重量輕和尺寸緊湊的優(yōu)點(diǎn)，而這些技術(shù)參數(shù)對(duì)于濾波器在汽車領(lǐng)域的運(yùn)用極為關(guān)鍵。根據(jù)不同的型號(hào)，產(chǎn)品尺寸范圍為186mm?65mm?65mm到121m?52mm?52mm，客戶可根據(jù)需要自行選擇。除具有常規(guī)的共模抑制比的型號(hào)外，我們還提供在150kHz至300kHz的長(zhǎng)波波譜范圍內(nèi)具有高濾波效果的型號(hào)。
　　EPCOS鐵氧體磁芯延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命
　　在逆變器的輸出端，陡峭的脈沖邊緣能夠造成電壓尖峰，而這一電壓尖峰通過電機(jī)電纜寄生電感進(jìn)一步擴(kuò)大。在不利的環(huán)境條件下，這些電壓尖峰將會(huì)造成能夠損壞電機(jī)繞組的電弧放電現(xiàn)象。同時(shí)，逆變器的開關(guān)頻率還能導(dǎo)致電機(jī)繞組及其機(jī)殼(地面電位)之間產(chǎn)生較高的寄生電容，從而造成通過電機(jī)軸承出現(xiàn)漏電流，進(jìn)而產(chǎn)生電火花。
　　通過鐵氧體環(huán)形磁芯將電機(jī)電纜引至逆變器輸出端是針對(duì)上述現(xiàn)象的一個(gè)補(bǔ)救方法。而由于磁芯能夠降低電壓變化率(dv/dt)，因此還能明顯降低共模干擾，并將漏電流降至無關(guān)緊要的低水平，這能夠確保符合第I級(jí)至第III級(jí)的限制規(guī)定(見圖6)。為此，TDK集團(tuán)特提供一系列涵蓋較寬頻譜的B64290L * 系列的不同尺寸的環(huán)形磁芯的鐵氧體材料，且所有產(chǎn)品均針對(duì)特定的頻率范圍和溫度進(jìn)行了優(yōu)化，能夠適用于所有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。鑒于此，我們推薦客戶選用EPCOS EMC扼流圈所采用的鐵氧體材料，例如T65、N30和N87等。
　

       圖6：共模干擾的衰減， EPCOS鐵氧體環(huán)形磁芯能夠確保符合第I級(jí)至第III級(jí)的限制規(guī)定。
　　此外，英飛凌還專為HybridPACK1 DC6模塊研發(fā)出一款全新的驅(qū)動(dòng)板。該款驅(qū)動(dòng)板基于久經(jīng)考驗(yàn)的英飛凌柵極驅(qū)動(dòng)IC的1ED020I12FA2系列進(jìn)行研發(fā)。此驅(qū)動(dòng)板能夠保證高效的EMC協(xié)調(diào)運(yùn)行，并能確保此次改良配置能輕松實(shí)現(xiàn)。最終，我們能夠獲得涵蓋IGBT模塊、直流鏈路電容器、EMC濾波器和柵極驅(qū)動(dòng)的基本功率輸出級(jí)，并且我們從一開始就充分考慮到所有必要的EMC要求。
　　表1：逆變器物料清單 20180619-EPCOS-PCC-3