碳化硅電機驅動系統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動系統的效率、功率密度等關鍵性能指標。碳化硅電機驅動系統在航空航天、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生強烈的瞬態電磁噪聲。研究碳化硅電機驅動系統電磁兼容建模技術，分析系統產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，而且對于工業生產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勢，在電機驅動系統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EMI強度之間的映射關系，并基于系統仿真與實驗，分析碳化硅功率器件開關特性及電機阻抗特性對電機驅動系統傳導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，根據碳化硅器件開關過程的特點，得到開關過程中各子狀態間的邏輯關系，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，研究碳化硅器件產生電磁干擾的機理。

圖1 考慮寄生參數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構特點及阻抗特性，采用分布參數結合集總參數的形式，建立了三相永磁同步電機寬頻等效電路模型。根據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。通過仿真與實驗結果的對比，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動系統電磁干擾的影響；通過建立電機驅動系統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、系統共模電壓、系統共模電流之間的頻域映射關系。

圖6 典型三相電機驅動系統示意圖

(a)

(b)

圖7 電機驅動系統共模電壓和共模電流仿真與實驗的對比結果。(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模采用碳化硅電機驅動系統，電機驅動系統將成為電動汽車中最重要的一個電磁干擾源。電動汽車電機驅動系統的電磁兼容問題十分復雜，而對已經生產完成的系統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進行重新設計、整改，將使得生產成本大大增加，而最終能否徹底解決系統的電磁兼容問題還并不確定。因此，研究碳化硅電機驅動系統電磁干擾產生機理，能夠幫助制造商更好的控制生產周期，降低生產成本，具有重要的工程意義。

審核編輯 ：李倩