ISG逆變器主電路設(shè)計(jì)

ISG 逆變器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2。整個(gè)逆變器系統(tǒng)主要包括功率主電路、控制電路和輔助電源三個(gè)部分。

圖 2 逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.1 功率開關(guān)器件選型
本文所研制逆變器基于42V 的汽車電氣系統(tǒng)， 逆變器交流側(cè)的輸出電流額定值為100Arms，對(duì)于這種低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，MOSFET 是非常合適的選擇。MOSFET 相對(duì)于IGBT 而言，具有更小的導(dǎo)通電阻，因而導(dǎo)通損耗也就更小，能得到更大的變換器效率，這對(duì)于對(duì)體積和效率要求很高的汽車用ISG 逆變器而言，是個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。并且，MOSFET 的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)，這使得MOSFET非常適于并聯(lián)，不但可以得到更大的電流等級(jí)，而且還可以得到更小的導(dǎo)通電阻，進(jìn)一步減小導(dǎo)通損耗。所以，本文選擇MOSFET 做為主電路的功率開關(guān)器件。如上所述，在一個(gè)42V 的汽車電氣系統(tǒng)中，

由功率半導(dǎo)體器件開關(guān)引起的電壓尖峰典型值在75V 到100V 之間，所以功率器件的阻斷電壓Vdss 必須高于這個(gè)區(qū)間，并且考慮到下一階段關(guān)于Z 源逆變器的研究，直流側(cè)的電壓將有一定的提升，所以，取MOSFET 的Vdss 為150V。交流側(cè)的輸出電流額定值為100Arms，考慮到ISG 起動(dòng)時(shí)需要的大電流（本設(shè)計(jì)中為200A ） 及MOSFET 安全工作區(qū)和結(jié)溫對(duì)MOSFET 過流能力的影響，取MOSFET 的電流等級(jí)為300A。為了充分利用MOSFET 的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)適于并聯(lián)的特點(diǎn)，考慮采用MOSFET 并聯(lián)，這樣可以減小導(dǎo)通電阻，減少導(dǎo)通損耗，提高變換器效率。不僅如此，在這一應(yīng)用中，采用單一的大尺寸MOSFET 成本較高，采用小尺寸MOSFET 并聯(lián)可以降低成本，對(duì)價(jià)格很敏感的汽車工業(yè)而言是非常重要的。進(jìn)一步考慮到逆變器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要和將來功率的擴(kuò)展，本文用6 個(gè)小功率的MOSFET 并聯(lián)做為三相逆變橋的半個(gè)橋臂，這樣，每個(gè)MOSFET 的電流等級(jí)選為50A 即可。經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體器件供應(yīng)商產(chǎn)品的綜合分析比較， 選定RENESAS 公司的FS50MS-3。

2.2 直流側(cè)電容選型
主電容除了穩(wěn)壓外，還在蓄電池和逆變器之間起去藕的作用，為電機(jī)感性負(fù)載提供必要的無功功率。在ISG 逆變器這種電流較大、環(huán)境溫度較高而體積又要求小的應(yīng)用中，直流電容需要有較小的等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL），高紋波電流能力以及緊湊的體積。因直流電容起儲(chǔ)能的作用，所以電容的容量必須比較大，按40μF /A 進(jìn)行初選。直流側(cè)電流為：

所以主電容容量在5300μF 左右。為了減小電
容的ESR 和ESL，除了選用低ESR 和ESL 的電容外，考慮用小容量電容并聯(lián)來得到大容量的電容，并且小容量的電容體積小，對(duì)于空間的利用非常有利，可使結(jié)構(gòu)更加緊湊。本文在每一對(duì)上下橋臂MOSFET 的兩端都并聯(lián)一個(gè)小容量的電解電容，這樣的話，每相橋臂并聯(lián)6 個(gè)電解電容，三相共18 個(gè)電解電容。5300μF電容分為18 個(gè)小容量的電容，則每個(gè)電容的容量約為295μF，考慮到實(shí)際電容的規(guī)格并留一定的裕量，選取470μF 的電解電容，則18 個(gè)電容的容量為8460μF。電壓等級(jí)選與150VMOSFET 相當(dāng)?shù)燃?jí)的160V。

2.3 緩沖電路設(shè)計(jì)
緩沖電路也稱為吸收電路，在電力電子器件的應(yīng)用中起著重要的作用。功率器件在開通時(shí)流過很大的電流，在關(guān)斷時(shí)承受很大的電壓；尤其在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件的能量釋放會(huì)導(dǎo)致器件經(jīng)受很大的沖擊，有可能超過器件的安全工作區(qū)而導(dǎo)致?lián)p壞。附加各種緩沖電路， 可大大緩減器件在電路中承受的各種應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理的吸收電路還能降低器件的開關(guān)損耗、避免器件的二次擊穿和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。
目前常見的逆變器橋臂緩沖電路有如下三種：
圖3 A 所示緩沖電路直接在一個(gè)橋臂上下兩個(gè)功率器件旁并聯(lián)一個(gè)電容，這種緩沖電路適用于中小功率場(chǎng)合，對(duì)抑制瞬變電壓非常有效且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。

圖3 常見逆變器橋臂緩沖電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
而圖3 B、C 緩沖電路適用于功率較大的場(chǎng)合，由于二極管的鉗位作用，可抑制吸收電容和母線寄生電感之間的振蕩，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜些。基于本文所設(shè)計(jì)的逆變器的功率等級(jí)，綜合考慮裝置的成本及設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，本文采用了圖3A所示的緩沖電路。

混合動(dòng)力汽車42V電源系統(tǒng)ISG逆變器研究