全碳化硅电机驱动系统传导干扰建模及分析

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碳化硅(Silicon Carbide,SiC)器件具有高温、高效、高频的特点,被认为是提升车用电机驱动系统性能和功率密度,同时降低成本的关键要素。然而,SiC器件开关速度快、开关频率高的特点会增强系统电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI),是全SiC电机驱动系统必须解决的问题。本文围绕全SiC电机驱动系统传导干扰特性进行建模、分析及预测研究,主要研究工作如下:  基于SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)的功率模块是全SiC电机驱动系统的干扰来源。SiC芯片的极间电容决定了开关动态过程,从而影响干扰来源的行为特性,本文提出了考虑SiC MOSFET芯片栅源极间电容Cgs非线性特性的建模方法,提高了SiC功率模块开通延时时间建模精度,从而提升了低频段传导EMI干扰源建模的准确性;SiC MOSFET模块互连封装产生的杂散电感对EMI高频谐振影响很大,针对SiC功率模块并联芯片支路多且存在相互电磁耦合的特点,依据SiC功率模块两端子间电压相等的原则,提出了一种多芯片并联支路杂散参数的矩阵变换方法,将其合并等效为一个集总参数,在保证准确性的基础上大大提升了SiC功率模块杂散参数模型的仿真速度。双脉冲等实验验证了以上建模方法的正确性。  建立了全SiC电机驱动系统传导干扰传播路径上各无源元件的等效电路。针对高功率密度全SiC电机控制器直流支撑电容器组件对地电容Cb较大的特点,本文提出了一种忽略电容芯子内部多层结构的对地电容等效建模方法。在Ltspice环境中进行了全SiC电机驱动系统传导干扰时域仿真模型的验证,并搭建系统传导干扰实验平台进行了干扰测试,实测结果验证了系统时域仿真模型的建模准确性;对系统在不同直流电压、负载电流、门极驱动电阻等工况下的差、共模传导干扰频谱进行了预测和实验,系统传导干扰频谱仿真值与实测值在第2个及以上谐振频率附近的频段误差在10dB范围内外,其余误差在6dB范围内,验证了模型进行干扰预测的有效性。此外,仿真与实测干扰频谱的对比结果表明,在低调制度(即低速轻载)下,不考虑Cgs非线性,会导致低频段共模干扰有误差;忽略直流电容器组件对地电容Cb导致高频段共模干扰有误差,该结果也表明Cb有利于降低直流端口的共模干扰值。  频域传导干扰模型更便于机理分析,是滤波器的设计基础。本文在全SiC电机驱动系统时域模型基础上,采用替代原理将全时域仿真电路半桥支路的上、下功率管分别采用等效电流源和等效电压源替代,获得了一种可同时用于差、共模干扰分析的全SiC电机驱动系统频域等效电路。其特点是,合成差模电流源中既包括了等效电流源(主要差模干扰源)的作用、也包括了等效电压源(主要共模干扰源)在全SiC电机驱动系统回路引起的高频响应;同理,合成共模电压源中既包括了等效电压源(主要共模干扰源)的作用、也包括了等效电流源(主要差模干扰源)在全SiC电机驱动系统回路引起的高频响应。计算与实测干扰频谱的对比表明,该系统频域等效电路提高了高频段差模干扰计算的准确性。此外,还讨论了在低调制度(即低速轻载)下,不考虑Cgs非线性,会导致低频段共模干扰有误差;忽略直流电容器组件对地电容Cb,会导致高频段共模干扰有误差,与时域仿真方法所得结论一致。
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