科研｜基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究

近年来，随着人们对环境问题的日益重视，电动汽车将逐渐取代燃油机汽车，成为人们最普遍的交通出行工具。电机驱动器作为电动汽车三大核心之一，其逐渐向着高能效、高功率密度、高可靠性的方向发展，逆变器中传统的硅基（Si）功率器件由于其本身材料特性的限制，已经越来越难以满足新型电动汽车电机驱动器的需求。碳化硅（SiC）功率器件因为其耐高压、耐高温、低损耗的特性可以有效替代硅基功率器件，将其应用于电动汽车的电机驱动器中能够明显提高控制器的功率密度， 降低控制器的体积，达到小型化、轻量化的要求。然而SiC MOSFET应用在电机控制系统会出现难以避免的桥臂串扰、共模干扰等问题，影响控制系统的可靠工作。因此分析和研究SiC器件在永磁同步电机控制系统应用中的关键问题对电机驱动器的发展尤为重要。

　　SiC控制器研究现状

　　SiC控制器能够工作在更快的开关频率和更快的开关速度，但是SiC器件对电力电子系统带来的负面影响之一是会导致较为严重的桥臂串扰现象，情况恶时可能会导致电路直通、烧毁器件，严重影响控制性能。国内外的众多专家学者对SiC器件在高频高压下产生的高频振荡及其寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响做出了研究与改进。

　　南京航空航天大学秦海鸿教授团队分别研究了寄生电容与寄生电感对SiC MOSFET器件开关过程的影响得出结论：寄生电容参数主要对开通关断时间及其能量损耗影响较大，寄生电感参数则对开关过程中波形振荡及电压尖峰的影响较大，为后续设计SiC MOSFET驱动电路做出了理论指导。

　　中国运载火箭研究所分析了SiC MOSFET单相桥式电路中桥臂串扰问题的原理，然后讨论了空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法对三相永磁同步电机驱动器相间串扰问题的影响，并设计了增加了辅助驱动的自主式串扰抑制电路，如图1-4所示，实验证明可以有效抑制三相桥式电路上下桥臂串扰，但每一相电路中都增加了两路控制信号，无疑增加DSP控制算法的复杂性，降低计算速度。

　　北京交通大学提出了一种低栅极关断阻抗驱动器来抑制桥臂间的串扰，在该驱动器中增加两个额外的电容来产生低关断栅极阻抗。该驱动器可实现共源寄生电感与门极回路的解耦， 并可旁路栅漏电容的位移电流。由于栅极驱动电路中引入了电容， 能够引起更加剧烈的栅源极之间的电压振荡。

　　中国矿业大学通过数学建模分析了漏源电压寄生电感对桥臂串扰与电压震荡的影响，提出了PPCAC门极驱动方案并用电机负载实验验证了该方案的有效性。该电路在原有驱动电路基础上增加辅助推挽电路，每一相电路中均增加４个功率器件，增加了驱动电路的损耗，可能会使发热加剧。

　　逆变器调制策略研究现状

　　目前在永磁同步电机控制系统中，SVPWM是现在逆变器控制的研究热点，是逆变器控制中使用最普遍的调制策略，其主要思想为采用逆变器空间电压矢量的切换已获得准圆形旋转磁场，从而在开关频率不高的情况下，在定子线圈中产生三相互差１20°电角度、失真度较小的正弦电流波形。

　　然而，SVPWM制策略下的电机控制系统会产生高频共模电压，共模电压耦合所产生的共模电流不仅是导致电机损坏的重要因素之一，而且共模电压通过寄生电容与杂散电感的耦合与机壳、大地等形成回路，能够产生高频漏电流，此髙频漏电流所带来的传导干扰是电机控制系统电磁干扰（EMI）的重要来源。有文献指出由于SiC MOSFET工作在20KHz以上的高频领域，基于SiC功率器件的电机控制系统的电磁干扰比采用硅基功率器件的控制系统更为严重。

　　共模电压的抑制方法主要有无源抑制和有源抑制两种方式。无源抑制方法是通过增加硬件的方式，设计无源滤波器件来抑制共模电流，这样无可避免会增加控制器的体积，增加损耗，降低控制器的功率密度。有源抑制方式则是通过软件的方式，改变逆变器的调制策略，减少零矢量的作用时间来抑制共模电压。通过根据共模电压产生的原理，目前常用的抑制共模电压调制策略有RSPWM(Remote-State PWM)、AZSPWM1、AZSPWM3、NSPWM等几种不同的逆变器调制策略。

根据文献分析，RSPW调制策略直流电压利用率较低，工程上并不经常采用；RSPW只在高调制区域内有效，低调制区不起作用，AZPWM1与AZPWM3输出电压谐波较高。有文献提出了一种不对称无零矢量脉宽调制方法（NZPWM），考虑了死区效应，抑制了死区发生时的共模电压尖峰。有文献提出了一TSPWM调制策略，将调制区域分为高调制区与低调制区，分别引入不同的无零矢量脉宽调制策略，提高了调制范围。也有从减少开关损耗和降共模电压的角度入手，提出了一种旋转三态脉宽调制（RTSPWM）技术，在开关频率为100kHz的情况下进行小样机实验验证了RTSPWM调制技术在性能上的优越性。有文献提出了一种针对于碳化硅三相逆变器的新型脉宽矢量调制策略，它可以根据负载的功率因数而发生变化，改变调制算法的调制脉宽。

　　SiC MOSFET桥臂串扰理论分析

　　功率器件的桥臂串扰现象是指在桥式电路中，同一桥臂的其中一个器件的开通关断过程会对另外一个器件的栅源极驱动电压产生影响。对SiC MOSFET的转移特性曲线的分析中，我们己经了解到SiC MOSFET的正向驱动电压阈值为2V左右。器件在实际应用过程中，往往存在某些特殊环境，其阈值电压甚至低于1.8V。SiC MOSFET有着较低的阈值电压，却拥有更快的开关速度，极高的dVGS/dt沿很容易导致器件的误导通，出现桥臂直通现象，致使系统短路、器件损坏。同时SiC MOSFET的负向最大承受电压也远低于Si器件，为了防止器件发生击穿，我们不仅需要注意正向串扰电压，也要抑制负向串扰电压。

　　桥臂串扰抑制措施

　　为了抑制桥臂串扰现象给器件带来的负面影响，在桥式电路中使用SiC MOSFET时，需要增加串扰抑制措施。目前工程常用串扰抑制措施主要有以下三种：

　　（１）增大栅极驱动电阻。由析可得，栅极驱动电阻越大，电压、电流波形越平缓，这种方式主要是通过降低dv/dt出来降低串扰尖峰，同时具有抑制振荡的效果。但增大驱动电阻也会降低器件的开关速度，增加器件的开关损耗，这种做法会降低SiC MOSFET的优势性能，并不适合。

　　（２）增大栅源极并联电容，如图2-11所示。由公式（2-7）与公式（2-8）分析可知，无论是正向最大串扰电压还是负向最大串扰电压，其绝对值均与器件栅源并联电容成反比，因此增大栅源并联电容可以有效降低正、负向桥臂间串扰尖峰。但由于ＣGS会与器件以及电路中的寄生电感作用，ＣGS增大会使开通时间拉长，并增加开通关断能量损耗。

　　（３）负压关断。使用负向驱动电压来拉低正向串扰电压尖峰，防止发生桥臂直通事故。然而SiC MOSFET的负向阈值电压不超过－10V，使用负压关断并不能抑制负向串扰电压尖峰，器件则有可能在因超出负向耐压而被击穿。同寸，负压关断对于串扰尖峰的抑制效果有限，并不能只靠负压关断来抑制桥臂串扰。

　　除了以上三种方式经常被工程采用之外，研究人员也对密勒钳位抑制电路进行了研究分析。如图2-12所示电路通过辅助晶体管串联电容的方式抑制桥臂正向串扰，同时不降低开关速度，但此电路只考虑了正向串扰，却并不能抑制负向串扰。此外还有采用辅助MOS管并联电容的方式，但这种方式则会增加电路控制复杂度，降低DSP运行速度。此外目前驱动芯片也带有钳位抑制电压接口，但所针对串扰电压为2V之内，若串扰电压超过2V，钳位电路失效，因此，仍然需要与串扰抑制电路相结合。

　　新型串扰抑制电路

　　新型串扰抑制电路综合对桥臂串扰原理的分析，山东大学宗莎莎在硕士论文“基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究”中在以上串扰抑制措施的基础上进行了改进，设计了如图2-13所示的新型串扰抑制电路（以下桥臂为例）。

　　永磁同步电机结构及分类

　　相比于异步电机，永磁同步电机具有体积小、效率高、质量轻的特点，其动态响应能力较好，适合于高转矩、高负载的应用场景，因此在大功率新能源汽车中使用较为广泛。永磁同步电机的重要组成部分为定子和转子，定子部分由定子铁芯、三相交流绕组及机座构成，产生圆形旋转磁场， 转子部分由转子铁芯、永磁体及转轴三部分构成，在旋转磁场中被磁力线切割进而产生（输出）电流。根据转子永磁体在电机中放置位置的不同，永磁同步电机可以分为表贴式、嵌入式及内置式三种结构，如图3-1所示。

　　图3-1(a）所示为表贴式永磁同步电机转子示意图，其结构简单，磁路对称，永磁铁直接贴附在转子铁芯的表面，制造成本低廉。但是表贴式电机旋转过程无磁阻转矩，无法实现功率密度的提高，在高速汽车中较少应用。图3-1（b）表面内嵌式及（c）内置式转子结构均为凸极式永磁同步电机，交、直轴磁路不对称，能够产生磁阻转矩实现弱磁扩速，新型电动汽车中使用内置式永磁同步电机较多，山东大学宗莎莎的硕士论文“基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究”同样采用内置式永磁同步电机。

　　永磁同步电机控制策略与共模抑制

　　山东大学宗莎莎的硕士论文“基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究”对永磁同步电机控制系统进行了综合研究。讨论了永磁同步电机的结构并对永磁同步电机在三相坐标下及旋转坐标下的数学模型进行了分析。针对旋转坐标下电机的数学模型，选择了矢量控制方式，分析了几种不同的控制策略，并重点对MTPA及弱磁控制方式进行了分析。建立了电机在不同运行区间内的控制策略数学模型，选择直接弱磁法对电机定子电流进行计算。对直接弱磁控制的控制算法流程进行了详尽的分析，参考所建立数学模型在仿真实验平台上搭建了整个控制系统的仿真模型，并在电机基速及弱磁扩速区对电机的转速、转矩、定子电流进行了分析， 验证了控制算法的有效性及所搭建模型的正确性。较为详细地分析了逆变器矢量调制策略的原理及实现，并针对现有抑制共模电压的矢量调制策略无法提高直流电源利用率的问题，TSPWM做出了优化与改进：设计了TSPWM的过调制策略，主要运用电压重构的思想；对于TSPWM策略中低调制区域因死区带来的电流畸变问题进行了死区补偿，改善了电流波形。在Matlab/Simulink中搭建了矢量调制模型，仿真实验证明了改进型TSPWM调制策略的有效性。

　　电机控制系统硬件平台及软件平台的设计

　　硬件部分对电机控制系统的主控电路板、驱动板及功率板进行了设计，主控芯片采用了TI公司的32位DSP芯片TMS320F28335PGFA，转子角度通过旋转变压器经解码芯片获得。驱动芯片采用SiC MOSFET专用芯片ADuM4135，并设计了去饱和检测电路。软件部分主要对主程序及主中断程序流程进行了介绍，对逆变器调制部分程序进行了流程说明。最后对新型串扰抑制电路及改进型逆变器调制策略进行了实验验证。

　　未来工作展望

　　山东大学宗莎莎的硕士论文“基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究”对SiC MOSFET器件驱动特性进行了研究分析，并对基于SiC逆变器的永磁同步电机控制系统调制策略进行了深入研究，由于各方面原因，文章仍存在许多未解决问题需要进一步完善研究：

　　（１）论文对影响SiC MOSFET开关特性的研究较为浅层，仅对驱动电阻进行了分析，特性分析比较简单基础。对于更加深入细致的问题，如寄生电感及电容对器件电压振荡及串扰等现象的影响，在减少寄生电感的电磁兼容方面后续还需进一步深入研究。

　　（２）直接弱磁法对电机参数要求较高，然而电动汽车运行的工况中，受温度、压力等环境参数的影响，电机的参数会发生变化，这涉及电机控制中自适应算法的研究，这是未来研究方向之一。

　　（３）论文只针对有源抑制共模电压方式进行了研究，并未结合无源EMI滤波器对共模电压产生的电磁干扰进行分析，有待后续深入研究。

　　参考文献：宗莎莎，基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究【D】，山东大学，2021

来源：第三代半导体产业