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摘要
汽车行业的迅猛发展,给人类的交通带来了极大的便利,但同时也使环境污染、全球变暖W及能源短缺问题变得日益突出,因此节能环保的新能源汽车尤其是电动汽车近些年来实现快速发展。电机驱动系统是电动汽车核必技术之一,驱动逆变器是影响电动汽车能效、安全性、可靠性的重要因素,论文对电动汽车用电机驱动逆变器展开了相关研巧。
论文第一章介绍了驱动逆变器的散热方式和应用SiC等新型功率器件的驱动逆变器研究现状,然后分析了永磁同步电机常见的控制策略,并对比了基于位置传感器获取电机转子位畳方法的研究现状。
论文第二章研巧了电机驱动风冷逆变器散热系统的设计方法,通过建立逆变器和散热器的热阻模型,得到散热器热阻与其几何参数的关系,然后对散热器的几何参数进行设计,并分别采用热仿真和实验与理论设计进行比对。本文还对SiC MOSFET和Si IGBT实验平台的散热设计进行了比较。
论文第H章基于永磁同步电机数学模型,针对磁场定向(:’尸0)矢量控制策略,完成硬件电路和软件系统的设计,其中主要分析了基于旋转变压器的转子位置检测电路的设计,并搭建了 lOkWSiCMOSFET电机驱动逆变器实验平台,对转子位置检测电路和磁场定向(z’fO)矢量控制进行实验验证。
论文第四章对所做的研究工作进行总结,并对未来的工作进斤展望。
关键词：:电动汽车,逆变器,永磁同步电机,散热器,位置检测电路
Abstract
The rapid development of the automobde industry has brought great convenience th human traffic,but at the same time,the problem of environmental pollution,global wanning and energy shortage have become increasingly prominent. Therefore,new energy vehicles, especially electric vehicles, achieve rapid development in rect years. The motor driver system is one of the core thchnologies of electric vehicles, and tihte drive inverter is an importot factor that affects energy efficiency,safety and reliability of Ae electric vehicles. This paper studies motor drive inverter for electric vehicles.
Chapter 1 introduces the cooling system and the use of new power devices such as SiC can improve the power density of the inverter. Then,the control strategies of FMSM are analyzed, and the ways of rotor posieton detection are compared.
Chapter 2 studies design of cooling system fbr the air-cooled inverier. By establishing the thermal resistance model of the inverter and the heat sink,the relationship between the thermal resietance and the geometric parameters is obtained, and the parameters are designed. Theoretical design is validated by thranal simulation and experiments. Also the thermal design of SiC MOSFET and Si IGBT experimental platform is compared.
Chapter 3 is based on the mathematic model of PMSM and aiming at field-oriented control strategy? Then hardware circuits and software systems are designed,and the design of rotor position detection circuit based 0n the resolver is mainly analyzed. A I OkW SiC MOSFET motor driver inverter experimental platform is built,then the rotor position detection circuit and the control strategy of PMSM are verified by experiment.
Chapter 4 makes the summary of the current research work,and looks fbrward to the future work.
Key words：Electric vehicle, Inverier, PMSM,Heat sink,Position detection circuit
近些年来,电力电子技术得到飞速发展,在高效率以及高功率密度方面取得了很多重要突破,自1970年以来,功率半导体器件的开关频率平均每10年将会増加10倍,同时电力电子变换器的功率密度平均毎10年增加1倍。散热系统的体积,无源元件的大小,巧片的封装技术,控制调理电路以及辅助电源越来越成为制约电力电子变换器功率密度的瓶颈。
在通常的变换器总体积中,散热系统占据着比较大的比重,减小散热系统的体积对于功率密度的提升具有显着的效果。当然,散热系统的体积不能盲目减小,需要满足电子设备的散热需求。当前电力电子器件的性能和集成化程度迅速提高,小型化的需求増大了单位体积的的耗散功率,使得散热问题日益突出,忘片温度的升高对电力电子器件的影响主要包括;减少器件的额定输出功率,増大器件的通态损耗,降低额定电压等等以。若是功率器件的巧片温度超过所允许的最高工作温度,不仅影响到设备的性能,甚至还会缩短设备的寿命,导致器件性能的恶化心文致最终损坏。图1-1是电子装置损坏的主要原因,可1^^看到电子设备的失效原因中,55%是由于过温引起的,据统计功率器件工作的环境温度每升高lO’C,其可靠度将会降低一半以。所以散热系统的体积设计一定要liJl满足电子设备散热要求为前提。
随着环境污染、全球变暖以及能源短缺问题的日益突出,纯电动汽车得到了快速的发展,而电机驱动逆变器是电动汽车的核也部件之一。电动汽车驱动逆变器对功率密度具有很高的要求,驱动逆变器的散热设计不仅影响电驱动系统能否可靠稳定的运行,而且散热系统的体积也成为制约逆变器功率密度的瓶颈,本文针对风冷式驱动逆变器的散热系统进行设计。同时,电动汽车永磁同步电机矢量控制中,通常采用旋转变压器配合相应的解码芯片检测电机转子的位置,其解码电路的设计,对电动汽车的矢量控制具有重要影响。
本文第一章首先介绍了电机驱动逆变器对于电动汽车的重要意义,阐述了散热系统的体积以及SiC等新型器件的应用对于变换器功率密度的影响,比较了当前应用于电动汽车电机驱动逆变器的主要散热方式,介绍了目前SiC M0SFET逆变器的发展现状,然后对永磁同步电机的控制策略和基于位置传感器获取转子位置的研巧进行了介绍与比较。在本章最后阐述了本文选题的意义和课题研究内容。
第二章主要研究了电机驱动风冷逆变器的散热设计,首先基于功率器件的损耗分析,获得需要散热器耗散的功率数据,建立逆变器和散热器的稳态热阻模型,然后在满足逆变器散热需求的条件下,从散热器风扇个数、散热沟槽数、肋片厚度以及散热器的沟槽长度等角度对散热器进行设计,获得散热器具体的几何尺寸结构后,通过热仿真和实验与理论设计进行比对,并分析了散热沟槽数、肋片厚度及风扇的风量对散热器散热性能的影响。本文还对SiC MOSFET和Si IGBT实验平台的散热设计进行了比较。
第三章基于永磁同步电机的数学模型,针对磁场定向矢量控制的原理,选择旋转变压器检测转子的位置,对控制电路,尤其是转子位置检测电路进行详细的设计,并对控制系统的软件进斤设计。最后搭建SiC MOSFET驱动逆变器实验平台,进行相关的实验验证。
第四章对全文工作进行了总结并对以后的研巧工作进行了展望。
电动汽车驱动逆变器设计与实现：
散热器几何结构
所选风扇极其特性曲线
不同参数下散热器体积与阻热的关系
SiC MOSFET散热系统结构图
散热器温度分布
散热器切面风速分布
逆变器实验平台
IGBT模块的外形图和电路图
IGBT逆变器散热系统结构图
IGBT逆变器实验平台
目录
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
1.1 高功率密度变换器发展及现状
1.1.1 变换器功率密度影响因素
1.1.2 驱动逆变器散热方式研究现状
1.1.3 SiCMOSFET逆变器研巧现状
1.2 永磁同步电机驱动系统研究现状
1.2.1 永磁同步电机控制策略
1.2.2 基于位置传感器获取转子位置的研巧
1.3 本文选题意义与研巧内容
1.3.1 本文选题意义
1.3.2 课题研究内容
第2章 电动汽车风?Hi变器散热设计
2.1 SiCMOSFET逆变器散热设计
2.1.1 功率器件损耗模型
2.1.2 逆变器稳态热阻模型
2.1.3 散热器稳态热阻模型
2.1.4 散热器理论设计
2.2 散热器仿真与实验结果
2.2.1 SiCMOSFET逆变器损耗测试
2.2.2 散热器热仿真结果
2.2.3 散热器实验结果
2.2.4 散热器散热性能影响因素分析
2.3 IGBT逆变器散热设计
2.3.1 散热器理论设计
2.3.2 仿真与实验结果
2.3.3 SiC MOSFET与IGBT逆变器散热设计比较
2.4本章小结
第3章 PMSM健检测电路设计与
3.1 PMSM磁场定向控制方案分析
3.1.1 PMSM数学模型
3.1.2 磁场定向(zV=0)控制原理
3.2 位置检测电路设计
3.2;1 旋转变压器工作原理
3.2.2 解码电路设计
3.2.3 解码电路实验验证
3.3 系统软件设计
3.4 实验结果与分析
3.4.1 电流环实验
3.4.2 转速环实验
3.5 本章小结
第4章 总结与展望
参考文献
致谢
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