電動汽車和工業(yè)應用的逆變器解決方案是什么？

在工業(yè)運用領域，絕大多電力驅(qū)動均采用異步電機，而汽車驅(qū)動則使用永磁同步電機。對于汽車和工業(yè)應用而言，制造商按照IEC60034-18041標準規(guī)定將此類電機在逆變器端的最大允許電壓上升率（dv/dt）限定為5kV/μs左右。

其原因在于繞組的介電強度。當逆變器驅(qū)動此類電機時，繞組的寄生電容以及逆變器的電壓變化率（dv/dt）會導致出現(xiàn)較高的對地泄漏電流。這些電流能夠?qū)е螺S承出現(xiàn)火花，并造成表面侵蝕，進而嚴重影響軸承的使用壽命。

為獲得較高的能源效率，逆變器功率半導體運行的開關頻率范圍為4kHz~15kHz。而這些必要的轉(zhuǎn)換速率和開關頻率則會導致頻率范圍出現(xiàn)約1MHz左右的高振幅諧波。尤其在汽車運用中，電力驅(qū)動會對中波（MW）段（526.5kHz~1606.5kHz）造成極大的干擾，并導致在車內(nèi)幾乎無法接收中波信號。

新產(chǎn)品帶來顯著改善

為研制出一個能與電機完美匹配，并具有電磁兼容性的逆變器，英飛凌科技公司（Infineon Technologies）和TDK集團開始重新研發(fā)關鍵元件，并使之完美配合，進而對現(xiàn)有的HybridPACK1進行改進。除采用具有705V的介電強度的最新款IGBT3芯片外，新的HybridPACK模塊還具有六個直流（DC）端口，而之前設計中僅有兩個端口（見圖1）。此外，研發(fā)過程中還相應地對愛普科斯（EPCOS）直流鏈路電容器進行了改良，使得直流鏈路中的等效串聯(lián)電感（ESL）能夠從30nH降低至15nH，而在斷開額定電流為400A的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）時所產(chǎn)生的過電壓則能相應地從500V降至420V（請參見圖2）。

圖1：HybridPACK1-DC6 IGBT模塊，新款HybridPACK1-DC6的設計電壓和電流分別為705V和400A，并采用六個直流端口的匯流條，因此具有較低的電感。

連同與直流鏈路電容器連接的匯流條，額外提供的四個直流端口將能夠增強HybridPACK模塊的電流通流能力。故而，新款HybridPACK1-DC6模塊專為將來更加高效的、具有更高電流通流能力的IGBT技術而設計。

對于目前采用兩個直流端口設計的HybridPACK1模塊，通過HybridPACK1-DC6模塊可輕松擴展其功率容量，因為新模塊與其前任設計具有相同的尺寸。這為xEV運用提供良好的擴展性。

得益于集成式匯流條，采用兩個直流端口設計的HybridPACK1模塊結(jié)構(gòu)比較緊湊。而出于兼容性的考慮，新款HybridPACK1-DC6模塊則繼續(xù)沿用這一設計。與EPCOS直流鏈路電容器連接的外部匯流條能夠更好地分布直流供電電流，進而確保模塊實現(xiàn)更高利用率。

圖2（見右圖）顯示為通過額定電流為400V的內(nèi)部匯流條的電流流向。這表示EPCOS直流鏈路電容器匯流條和模塊之間的電流能夠獲得對稱均勻的分布。

圖2：顯著降低過電壓，由于在轉(zhuǎn)換時具有較低的電壓尖峰，因此IGBT模塊和電機均能夠得到很好的保護。

EPCOS直流鏈路電容器能夠阻止直流鏈路中的噪音

另一款新研發(fā)的產(chǎn)品則是EPCOS B25655P4477J直流鏈路電容器。該款電容器的端口專為精確配合IGBT模塊的直流端口而設計，其設計原理主要基于專為英飛凌的HybirdPACK和EASY系列產(chǎn)品而設計的EPCOS現(xiàn)有電容器。該系列電容器有兩種型號，其一是電容為470μF，額定電壓為450V DC或500V DC，尺寸僅為154mm?72mm?50mm的型號。這一節(jié)省空間的設計基于能夠利用一塊疊片式薄膜讓電容器外殼獲得將近1的體積填充因數(shù)的電力電容器芯片（PCC）技術。其二為價格最為經(jīng)濟，電容為380μF的平繞組型號（B25655P4387J）。上述兩個型號均可配備或不配備直接連接EMC（電磁兼容性）濾波器的接口。

圖3：節(jié)省空間的EPCOS直流鏈路電容器，得益于電力電容器芯片（PCC）技術，可獲得將近1的體積填充因數(shù)。

在無屏蔽電纜的情況下獲得高EMC性能

TDK集團還研發(fā)出一系列雙路電壓直流濾波器。該濾波器專為汽車的電力驅(qū)動量身定制，符合《聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會第10號法規(guī)（第5版）》中關于EMC性能的所有規(guī)定。P100316 * 系列EPCOS高電壓直流濾波器（見圖4）最大工作電壓達600V DC，非常適合使用高壓電池供電的典型高壓應用。濾波器的電流流通量為直流150A或350A，這意味著濾波器可適用于輸出功率高達100 kW驅(qū)動系統(tǒng)。所有型號濾波器的直流電阻僅為0.05m?，即使在大電流情況下亦不會有明顯損耗。

圖4：用于汽車逆變器的EPCOS高電壓直流濾波器。

P001信號的接口采用專門設計，可直接與EPCOS直流鏈路電容器相連，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且還具備低電感和觸點 電阻等一系列優(yōu)異的電氣特性。

濾波器的效能極高，故而電池和逆變器之間無需采用通常的屏蔽電纜（見圖5）。這不僅具有成本和重量優(yōu)勢，還能確保 更好的長期穩(wěn)定性，且無需使用昂貴、易出故障的屏蔽聯(lián)接。

圖5：使用EPCOS高電直流電磁兼容性（EMC）濾波器時的輻射值。

顯而易見：通過在電池和逆變器之間使用新款EMC濾波器，能夠在使用無屏蔽電纜的情況下大幅降低傳導干擾。

盡管僅使用一根無屏蔽直流電纜，采用EPCOS高電壓直流EMC濾波器仍能夠?qū)鲗Ц蓴_降低最大至70dB，這樣當于獲得3000倍的屏蔽效能。而這并非唯一優(yōu)勢：新款濾波器還能大幅減少獨立系統(tǒng)元件所需的常規(guī)類EMC測試次數(shù)。

除優(yōu)異的電氣參數(shù)外，濾波器還具有重量輕和尺寸緊湊的優(yōu)點，而這些技術參數(shù)對于濾波器在汽車領域的運用極為關鍵。根據(jù)不同的型號，產(chǎn)品尺寸范圍為186mm?65mm?65mm到121mm?52mm?52mm，客戶可根據(jù)需要自行選擇。除具有常規(guī)的共模抑制比的型號外，我們還提供在150kHz至300kHz的長波波譜范圍內(nèi)具有高濾波效果的型號。

EPCOS鐵氧體磁芯延長電機的使用壽命

在逆變器的輸出端，陡峭的脈沖邊緣能夠造成電壓尖峰，而這一電壓尖峰通過電機電纜寄生電感進一步擴大。在不利的環(huán)境條件下，這些電壓尖峰將會造成能夠損壞電機繞組的電弧放電現(xiàn)象。同時，逆變器的開關頻率還能導致電機繞組及其機殼（地面電位）之間產(chǎn)生較高的寄生電容，從而造成通過電機軸承出現(xiàn)漏電流，進而產(chǎn)生電火花。

通過鐵氧體環(huán)形磁芯將電機電纜引至逆變器輸出端是針對上述現(xiàn)象的一個補救方法。而由于磁芯能夠降低電壓變化率（dv/dt），因此還能明顯降低共模干擾，并將漏電流降至無關緊要的低水平，這能夠確保符合第I級至第III級的限制規(guī)定（見圖6）。為此，TDK集團特提供一系列涵蓋較寬頻譜的B64290L * 系列的不同尺寸的環(huán)形磁芯的鐵氧體材料，且所有產(chǎn)品均針對特定的頻率范圍和溫度進行了優(yōu)化，能夠適用于所有驅(qū)動系統(tǒng)。鑒于此，我們推薦客戶選用EPCOS EMC扼流圈所采用的鐵氧體材料，例如T65、N30和N87等。

圖6：共模干擾的衰減， EPCOS鐵氧體環(huán)形磁芯能夠確保符合第I級至第III級的限制規(guī)定。

此外，英飛凌還專為HybridPACK1 DC6模塊研發(fā)出一款全新的驅(qū)動板。該款驅(qū)動板基于久經(jīng)考驗的英飛凌柵極驅(qū)動IC的1ED020I12FA2系列進行研發(fā)。此驅(qū)動板能夠保證高效的EMC協(xié)調(diào)運行，并能確保此次改良配置能輕松實現(xiàn)。最終，我們能夠獲得涵蓋IGBT模塊、直流鏈路電容器、EMC濾波器和柵極驅(qū)動的基本功率輸出級，并且我們從一開始就充分考慮到所有必要的EMC要求。