基于SVPWM的汽车电力驱动器,可有效降低汽车的能源消耗!

   电工小二        

汽车绝缘栅双极晶体管(IGBTs)和自由瓣二极管(FWDs)的导通损耗和开关损耗的建模变得越来越重要,特别是对于提高系统效率和可靠性预测。传统的基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的导通和开关损耗建模方法,由于曲线拟合复杂,计算量大,在实际应用中不适用。本文基于SVPWM算法,提出了一种简单实用的igbt和FWDs损耗模型。首先,简要介绍了传统的功率损耗模型。在此基础上,提出了分段线性开关损耗模型和基于占空比等效三阶谐波模型的导通损耗模型。在实验验证中,对传统模型和所提模型的实验结果进行了比较。研究人员采用功率分析仪对逆变器损耗进行测量,并在考虑其他额外损耗的情况下对芯片损耗进行进一步验证,该模型具有较好的建模精度和较小的测量量和较低的计算量。


相关论文以题为“Modeling of Conduction and Switching Losses for IGBT and FWD Based on SVPWM in Automobile Electric Drives”发表在《Applied Sciences》上。




永磁同步电动机(PMSM)以其高功率密度和优异的控制性能在电动汽车中得到广泛应用,通常采用脉宽调制(PWM)逆变器驱动。电力驱动系统的整体效率对其运行的可靠性和成本有着至关重要的意义。因此,需要研究驱动系统中不同部件的功率损耗。本文研究了导通损耗和开关损耗,因为损耗建模可以为提高系统效率和功率密度提供指导。此外,它还被认为是半导体芯片结温预测的重要输入。为了实现结温测量的准确性,防止半导体芯片烧坏,实时的功耗计算起着重要的作用。


一般来说,变换器芯片的功率损耗可分为开关损耗和传导损耗。固有的开关延迟导致了转换器的开关损耗。为了计算转换器的开关损耗,必须获得绝缘栅双极晶体管(IGBT)和自由瓣二极管(FWD)在每一个开关损耗情况下的开关损耗。IGBTs和FWDs的开启和关闭能量损失数据可在设备数据表中获得。但它们是根据具体的试验条件给出的,不适用于其他工况。此外,使用示波器离线测量是一种替代方法,以获得接通和关闭的能量损失数据。然而,在每一个操作点上测量是不容易的。值得注意的是,通断能量损失与集电极-发射极降和集电极电流密切相关,而集电极电流在逆变器运行过程中会发生变化。因此,采用经验模型拟合实验数据,或利用查找表估计不同工作电流和电压下IGBT的开关损耗,具有简单的优点。然而,为了获得准确的拟合波形,需要进行过多的测量来获得工作点的电压和电流波形。


基于上述困难,本文提出了一种简单可行的功率损耗模型来计算开关损耗和导通损耗。本文的贡献总结如下:


·考虑到逆变器运行过程中集电极-发射极电压降和集电极电流的波形,提出了分段线性模型,以简化实际波形,避免了复杂的拟合和插值过程。该方法只需测量额定工作状态下的一组数据,其他工作点的开关损耗可按比例计算。


·为求解导通损耗的分段积分问题,推导并研究了占空比的分段周期函数,并基于傅里叶级数展开,提出了占空比的等效三阶谐波模型。该模型具有计算量小、工程实现方便等优点。


·所提出的损耗模型提供了一种简单实用的基于SVPWM调制的损耗模型在汽车电气传动中的应用,为igbt结温的准确预测提供了依据。


传统功率损耗模型


传统和常用的方法是将管的通态电流乘以每个开关周期的正向压降,然后将这些单开关周期的损耗乘以开关频率,得到总的导通损耗。然而,电流传感器只能测量相电流。因此,有必要研究电子管的通态电流与相电流之间的关系。


图1为三相电压源逆变器的拓扑结构。假设PWM周期为T,占空比为D,不同的相位电流方向对应不同的开断管。当相电流为正时(定义为流向电机的电流),IGBT在上管中的持续时间为DT, FWD在下管中的持续时间为(1-D) T;当相电流为负时,上管FWD持续时间为DT,下管IGBT持续时间为(1-D) T。



图1.三相电压源逆变器的拓扑结构。


此外,根据SVPWM调制可以得到VAM。基于SVPWM的开关管占空比不是通过比较调制正弦波和三角波得到的,而是通过FOC算法得到的。调制原理图如图2所示。以第一节为例,假设两个基本向量U110和U100的运行时间分别为Tv6和Tv4。第一段电压可表示为:



图2.空间矢量脉宽调制(SVPWM)的调制原理。


当考虑基波和三阶谐波分量时,可以用式中的d(xa)¯¯¯表示为d3(xa)。绘制了d3的波形,并与图3a所示的d的波形进行了比较。d3(纳闷)和d(纳闷)的差值较小,峰值误差为0.04325:



图3.图中,d(××)、d3(××)、d5(××)波形。(a) d(振幅)和d3(振幅)波形比较。(b) d(××)和d5(××)波形比较。(c)误差比较。


图4描述了传统损耗模型和提出的损耗模型之间的比较。传统模型的输入是基于电流传感器的值和测量的损耗能量,而提出的模型根据FOC算法采用命令信号的值。因此,传统模型和提出的模型可以分别视为被测模型和给定模型。通过这两个模型的相互验证,可以验证所提出的损耗模型。



图4.提出的损失模型与传统损失模型的比较。


结论


在SVPWM算法的基础上,研究人员提出分段线性开关损耗模型和基于占空比等效三阶谐波模型的导通损耗模型。与传统的损耗模型相比,该模型具有计算量低、参数测量过程简单的优点。通过功率分析仪对逆变器的损耗进行测量,验证了所提出的损耗模型的有效性,芯片损耗估计误差约为0.95%,具有良好的精度。因此,本文提出的损失模型简单,但具有良好的估计精度,适用于汽车应用。


在未来,将进行实车验证来进一步测试所提损失模型的准确性和可行性。此外,还将对基于THIPWM调制的损耗模型进行研究,并与基于SVPWM方案的损耗模型进行比较,以提高损耗模型的精度。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4539/htm



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