混合动力汽车42v电源系统isg逆变器研究

混合动力汽车42V电源系统ISG逆变器研究ResearchonISGInverterin42VPowerNetforHybridElectricVehicle西安交通大学贾要勤张杰林丁华飞王兆安陕西西安710049Email:[e-mail]摘要:集成起动发电机用（ISG）逆变器是ISG混合动力汽车的重要组成部分，要求其体积小、重量轻、高效率和高可靠性。本文针对ISG逆变器的特殊要求，从元器件选择和主电路结构设计着手，提出了MOSFETs并联的方案，以减小电路在功率器件上的损耗，提高逆变器效率，得到了结构紧凑、效率较高的ISG逆变器。搭建完成实验平台，对ISG逆变器进行了实验研究。实验结果表明，本ISG逆变器可长期可靠稳定运行，达到了预期技术指标，证实了设计方案的可行性和有效性。Abstract：Integratedstarter-generator(ISG)inverterisanimportantcomponentofISGHEV，It’srequiedsmallsize,lightweight,highefficiencyandhighreliability.AccordingtoISGinverterspecialrequests,thispaperproposedasolutionthatuseMOSFETsinparallelandanuniquestructureofmaincircuittogetaISGinverterwithhigherefficiencyandaconpactvolume.ThenanexperimentalplatformwasbuildedonwhitchtheISGinverterwerestudied.TheexperimentalresultsshownthattheISGinvertercanbelong-termreliableandstable,operationachievedtheexpectedtechnicalindicators.Feasibilityofthedesignwasconfirmed.关键词：ISG；逆变器；42V系统Keywords:ISG,Inverter,42Vpowernetofautomobiles1引言随着越来越多的电子设备应用于汽车，现有的14V汽车电气系统已不能满足日益增长的汽车电气功率的需求，为解决这一问题，经过国际汽车学术界及汽车工业界的长期研究并考虑了多种因素之后，确定下一个汽车电气系统电压为42V。混合动力汽车（HEV）也是当前汽车行业研究的热点，如何将42V系统和混合动力结合起来，而又不必改变汽车电气结构的思想深受人们关注：它将使混合动力汽车更具有性价比且将拥有更加广泛的实用前景。ISG是满足这一前景的一种解决方案，运用一个ISG电机取代传统汽车的飞轮、起动电机和发电机，通过先进的控制方法，可以实现快速起动，加速助力，能量回馈等功能，达到节能减排同时提高驾驶舒适度的目的。其安装位置及结构如图1所示。(a)ISG系统的安装位置ISG电池控制器转速信号PWM传动轴变换器(b)ISG系统结构图图1ISG系统安装位置及结构在整个系统中，变换器处于中心的位置。如何研究设计一个结构紧凑，功率密度大且电磁辐射较低可靠性高的能量变换器（逆变器）就成为ISG系统实用一个首要的问题。2.ISG逆变器主电路设计ISG逆变器系统的总体结构如图2。整个逆变器系统主要包括功率主电路、控制电路和辅助电源三个部分。图2逆变器系统结构框图2.1功率开关器件选型本文所研制逆变器基于42V的汽车电气系统，逆变器交流侧的输出电流额定值为100Arms，对于这种低压大电流的应用场合，MOSFET是非常合适的选择。MOSFET相对于IGBT而言，具有更小的导通电阻，因而导通损耗也就更小，能得到更大的变换器效率，这对于对体积和效率要求很高的汽车用ISG逆变器而言，是个很大的优点。并且，MOSFET的导通电阻具有正的温度系数，这使得MOSFET非常适于并联，不但可以得到更大的电流等级，而且还可以得到更小的导通电阻，进一步减小导通损耗。所以，本文选择MOSFET做为主电路的功率开关器件。如上所述，在一个42V的汽车电气系统中，由功率半导体器件开关引起的电压尖峰典型值在75V到100V之间，所以功率器件的阻断电压Vdss必须高于这个区间，并且考虑到下一阶段关于Z源逆变器的研究，直流侧的电压将有一定的提升，所以，取MOSFET的Vdss为150V。交流侧的输出电流额定值为100Arms，考虑到ISG起动时需要的大电流（本设计中为200A）及MOSFET安全工作区和结温对MOSFET过流能力的影响，取MOSFET的电流等级为300A。为了充分利用MOSFET的导通电阻具有正温度系数适于并联的特点，考虑采用MOSFET并联，这样可以减小导通电阻，减少导通损耗，提高变换器效率。不仅如此，在这一应用中，采用单一的大尺寸MOSFET成本较高，采用小尺寸MOSFET并联可以降低成本，对价格很敏感的汽车工业而言是非常重要的。进一步考虑到逆变器系统总体结构设计的需要和将来功率的扩展，本文用6个小功率的MOSFET并联做为三相逆变桥的半个桥臂，这样，每个MOSFET的电流等级选为50A即可。经过对国内外主要半导体器件供应商产品的综合分析比较，选定RENESAS公司的FS50MS-3。2.2直流侧电容选型主电容除了稳压外，还在蓄电池和逆变器之间起去藕的作用，为电机感性负载提供必要的无功功率。在ISG逆变器这种电流较大、环境温度较高而体积又要求小的应用中，直流电容需要有较小的等效串联电阻（ESR）和电感（ESL），高纹波电流能力以及紧凑的体积。因直流电容起储能的作用，所以电容的容量必须比较大，按40μF/A进行初选。直流侧电流为：132.3A42V9.05kVA=×=×=VdcPoIdcη所以主电容容量在5300μF左右。为了减小电容的ESR和ESL，除了选用低ESR和ESL的电容外，考虑用小容量电容并联来得到大容量的电容，并且小容量的电容体积小，对于空间的利用非常有利，可使结构更加紧凑。本文在每一对上下桥臂MOSFET的两端都并联一个小容量的电解电容，这样的话，每相桥臂并联6个电解电容，三相共18个电解电容。5300μF电容分为18个小容量的电容，则每个电容的容量约为295μF，考虑到实际电容的规格并留一定的裕量，选取470μF的电解电容，则18个电容的容量为8460μF。电压等级选与150VMOSFET相当等级的160V。2.3缓冲电路设计缓冲电路也称为吸收电路，在电力电子器件的应用中起着重要的作用。功率器件在开通时流过很大的电流，在关断时承受很大的电压；尤其在开关转换瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路，可大大缓减器件在电路中承受的各种应力，设计合理的吸收电路还能降低器件的开关损耗、避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。目前常见的逆变器桥臂缓冲电路有如下三种：图3A所示缓冲电路直接在一个桥臂上下两个功率器件旁并联一个电容，这种缓冲电路适用于中小功率场合，对抑制瞬变电压非常有效且结构简单、成本较低。图3常见逆变器桥臂缓冲电路拓扑结构而图3B、C缓冲电路适用于功率较大的场合，由于二极管的钳位作用，可抑制吸收电容和母线寄生电感之间的振荡，但结构相对复杂些。基于本文所设计的逆变器的功率等级，综合考虑装置的成本及设计的简易性，本文采用了图3A所示的缓冲电路。3．结构设计为了获得紧凑的结构和高功率密度以适应汽车这一特殊的应用场合，对主电路的结构设计非常关键。采用什么样的主电路结构直接影响到逆变器能否正常工作、工作的可靠性及功率密度等重要指标，合理的元器件布局，可以保证主电路的性能及工作的可靠性。本文主电路采用小容量的器件并联来得到大容量的器件，包括主电路功率开关管、直流侧主电容和缓冲电容，电路原理图如图4所示。图4主电路原理图图中所示为单相（U相）的原理图，其他两相的电路原理图与此相同。MOSFETQ1~Q6并联组成上桥臂，Q7~Q12并联组成下桥臂，每一相共由六对管子组成。电解电容C1~C6分别并联在六对MOSFET旁边做为直流侧主电容的一部分，同样地，CBB电容C7~C12分别并联在六对MOSFET旁边做为吸收电容的一部分。主电路的结构示意图（单相）如图5。上桥臂和下桥臂的六个MOSFET分别摆放成一横排，引脚相对置于散热器上，这样，无论是风冷散热还是水冷散热，MOSFET在工作中产生的热量都能通过散热器散发出去。所有MOSFET的引脚均向上弯曲穿过PCB，与PCB上的铜线焊接。上桥臂所有MOSFET的漏极连接至直流母线的正极（P），下桥臂所有MOSFET的源极连接至直流母线的负极（N），而上桥臂所有MOSFET的源极与下桥臂所有MOSFET的漏极相连做为交流输出端，为方便布线，每一对上下桥臂管子中，上桥臂MOSFET的源极（S极）与下桥臂MOSFET的漏极（D极）对齐。而主电容和缓冲电容则利用走线的间隙布置在PCB上。(a)侧视图(b)俯视图图5主电路结构示意图完成的逆变器实物如图6所示。图6三相逆变器主电路实物图4．实验研究为测试逆变器的性能，验证本设计方案的有效性，对ISG逆变器进行了实验研究，实验平台如7所示。图7ISG逆变器实验平台4.1起动电流测试在汽车起动的时候，需要用ISG去带动发动机在很短的时间内（几百毫秒）达到怠速之上，实现其起动机的功能。这要求ISG电机输出很大的起动转矩，而对应于ISG逆变器则要求输出很大的起动电流，其电流峰值一般要达到额定电流的2倍甚至更高。起动电流测试波形如图8所示。从波形中可以看到，电流峰值达到了200A，持续时间1s，符合设计要求。图8起动电流测试波形4.2额定电流测试在起动完成之后，ISG电机将进入发电运行状态，实现作为发电机的功能，在此状态下，其功率较为平稳，为此需对逆变器在输出额定电流情况下，长时间稳定运行的能力进行测试。测试波形如图9所示。系统稳定运行10分钟，输出电流波形良好，证实本ISG逆变器可长期可靠运行。图9额定电流测试波形图10给出了U相上桥臂MOSFET的Vgs（栅源电压）波形和Vds（漏源电压）波形，其中CH1为Vgs波形，CH2为Vds波形。图5-10(b)为图5-10(a)中的椭圆区域放大后的波形。从图中可以看出，MOSFET的漏源电压尖峰很小，最大处也仅在75V左右，可见，主电路缓冲电路发挥了作用，很好地抑制了电压尖峰，减轻了MOSFET的电压应力。4.3效率测试图11给出了不同输出功率下的效率曲线。从图中可以看出，输出功率较小时，因直流电流很小，效率偏低。从输出功率500W以后的数据看，系统的效率最大超过了90%，最低也在85%左右，以国内外目前的研究情况来看，此效率处于较高水平。CH1:20V/divCH2:50V/div时间:2ms/div(a)Vgs、Vds波形CH1:20V/divCH2:50V/div时间:100us/div(b)Vgs、Vds波形细节图10U相上桥臂MOSFETVgs和Vds波形01020304050607080901000.2150.7211.24598221221171922832886输出功率W效率(%)效率与输出功率关系曲线效率趋势曲线图11不同输出功率下逆变器效率测试数据图5．结论本文提出了一种新颖的ISG逆变器设计方法，采用了多个小容量器件并联得到大容量器件的方案。MOSFET的并联使用，有效降低了电路在功率器件上的损耗，提高了变换器效率，并且也大大降低了系统成本。在合理选择器件的基础上，对主电路结构进行了精心设计，并最终得到了结构紧凑、效率较高的ISG逆变器。实验结果显示本ISG逆变器可长期稳定可靠运行，达到了预期的各项指标，证实了整个设计方案的可行性和有效性。参考文献[1]陈道炼．DC-AC逆变技术及其应用[M]．北京：机械工业出版社，200