碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容建模技術研究

碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容建模技術研究

研究背景

隨著碳化硅(Silicon Carbide, SiC)新型寬禁帶功率半導體器件的成熟應用，可以有效地提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率、功率密度等關鍵性能指標。碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)在航空航天、軌道交通以及新能源汽車等領域得到了廣泛關注并應用。但是，碳化硅功率器件在開關過程中產(chǎn)生非常高的電流和電壓變化率，即di/dt 與 du/dt，它們通過電路中寄生電感和寄生電容產(chǎn)生強烈的瞬態(tài)電磁噪聲。研究碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容建模技術，分析系統(tǒng)產(chǎn)生傳導和輻射電磁干擾的機理，不僅具有非常高的學術價值，而且對于工業(yè)生產(chǎn)應用具有重要的指導意義。

成果簡介

碳化硅功率器件依托其開關性能的優(yōu)勢，在電機驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛地應用，然而，其過快的開關響應速度及過大的開關振蕩給系統(tǒng)帶來了嚴重的EMI問題。通過采用理論分析、建模仿真及物理實驗的方法，研究碳化硅功率器件開關特性及電機阻抗特性與系統(tǒng)EMI強度之間的映射關系，并基于系統(tǒng)仿真與實驗，分析碳化硅功率器件開關特性及電機阻抗特性對電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導EMI強度的影響。

亮點提煉

1、考慮碳化硅功率半導體器件的寄生參數(shù)，根據(jù)碳化硅器件開關過程的特點，得到開關過程中各子狀態(tài)間的邏輯關系，建立碳化硅功率器件的開關行為模型，分析其電磁干擾特性，研究碳化硅器件產(chǎn)生電磁干擾的機理。

圖1 考慮寄生參數(shù)的碳化硅功率器件電路模型

圖2 碳化硅功率器件的開關波形及其頻譜。(a) 開通階段波形，(b) 關斷階段波形，(c) 頻譜

2、首先利用阻抗分析儀測量了電機的共模及差模阻抗，基于電機繞組的物理結(jié)構(gòu)特點及阻抗特性，采用分布參數(shù)結(jié)合集總參數(shù)的形式，建立了三相永磁同步電機寬頻等效電路模型。根據(jù)電機在不同頻段的阻抗特性，運用等效電路簡化法，分段求解電機模型的電氣參數(shù)。通過仿真與實驗結(jié)果的對比，驗證了電機寬頻模型的有效性。

圖3 電機的阻抗特性曲線。(a) 共模阻抗，(b) 差模阻抗

圖4 三相永磁同步電機寬頻等效電路模型

圖5 基于電機寬頻等效模型的阻抗特性曲線與實測結(jié)果之間的對比。(a) 共模阻抗，(b) 差模阻抗

3、基于碳化硅功率器件的開關行為模型和電機的寬頻等效電路模型，分析碳化硅功率器件的開關特性以及電機的阻抗特性對電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾的影響；通過建立電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容仿真模型，研究電機阻抗特性與碳化硅功率器件開關波形、系統(tǒng)共模電壓、系統(tǒng)共模電流之間的頻域映射關系。

圖6 典型三相電機驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

(a)

(b)

圖7 電機驅(qū)動系統(tǒng)共模電壓和共模電流仿真與實驗的對比結(jié)果。(a) 共模電壓頻譜，(b) 共模電流頻譜

前景與應用

新能源電動汽車未來如果大規(guī)模采用碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)，電機驅(qū)動系統(tǒng)將成為電動汽車中最重要的一個電磁干擾源。電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容問題十分復雜，而對已經(jīng)生產(chǎn)完成的系統(tǒng)再按照相應電磁兼容標準進行測試，對不符合測試標準的系統(tǒng)進行重新設計、整改，將使得生產(chǎn)成本大大增加，而最終能否徹底解決系統(tǒng)的電磁兼容問題還并不確定。因此，研究碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機理，能夠幫助制造商更好的控制生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，具有重要的工程意義。

審核編輯 ：李倩