適合電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用綜合解決方案

　　TDK集團(tuán)攜手英飛凌科技公司 (Infineon Technologies) 共同研發(fā)一款適合 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成和工業(yè)應(yīng)用的逆變器綜合解決方案。該設(shè)計(jì)能夠讓開(kāi)發(fā)者 快捷地測(cè)試并實(shí)施驅(qū)動(dòng)理念。

　　在工業(yè)運(yùn)用領(lǐng)域，絕大多電力驅(qū)動(dòng)均采用異步電機(jī)，而汽車(chē)驅(qū)動(dòng)則使用永磁同步電機(jī)。對(duì)于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用而言，制造商按照IEC60034-18041標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將此類(lèi)電機(jī)在逆變器端的最大允許電壓上升率 (dv/dt) 限定為5 kV/µs左右。其原因在于 繞組的介電強(qiáng)度。當(dāng)逆變器驅(qū)動(dòng)此類(lèi)電機(jī)時(shí)，繞組的寄生電容以及逆變器的電壓變化率 (dv/dt) 會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較高的對(duì)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(jìn)而嚴(yán)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(dǎo)體運(yùn)行的開(kāi)關(guān)頻率范圍為4kHz - 15kHZ。而這些必要的轉(zhuǎn)換速率和開(kāi)關(guān)頻率則 會(huì)導(dǎo)致頻率范圍出現(xiàn)約1MHz左右的高振幅諧波。尤其在汽車(chē)運(yùn)用中，電力驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)中波 (MW) 段 (526.5 kHz - 1606.5 kHz) 造成極大的干擾，并導(dǎo)致在車(chē)內(nèi)幾乎無(wú)法接收中波 (MW) 信號(hào)。

　　新產(chǎn)品帶來(lái)顯著改善

　　為研制出一個(gè)能與電機(jī)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(tuán)開(kāi) 始重新研發(fā)關(guān)鍵元件，并使之完美配合，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有的HybridPACK™1進(jìn)行改進(jìn)。除采用具有705V的介電強(qiáng)度的最新款 IGBT3芯片外，新的HybridPACK模塊還具有六個(gè)直流 (DC) 端口，而之前設(shè)計(jì)中僅有兩個(gè)端口(見(jiàn)圖1)。此外，研發(fā)過(guò)程中還想應(yīng)地對(duì)愛(ài)普科斯 (EPCOS) 直流鏈路電容器進(jìn)行了改良，使得直流鏈路中的等效串聯(lián)電感 (ESL) 能夠從30 nH 降低至15nH，而在斷開(kāi)額定電流為400A的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓則能相應(yīng)地從500V降至420V

　　(請(qǐng)參見(jiàn)圖2)。

　　圖1：HybridPACK1-DC6 IGBT模塊

　　連同與直流鏈路電容器連接的匯流條，額外提供的四個(gè)直流 (DC) 端口將能夠增強(qiáng)HybridPACK模塊的電流通流能力。故 而，新款HybridPACK1-DC6模塊專(zhuān)為將來(lái)更加高效的、具有更高電流通流能力的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 技術(shù)而設(shè)計(jì)。對(duì)于目前采用兩個(gè)直流 (DC) 端口設(shè)計(jì)的HybridPACK1模塊，通過(guò)HybridPACK1-DC6模塊可輕松擴(kuò)展其功率容量，因 為新模塊與其前任設(shè)計(jì)具有相同的尺寸。這為xEV運(yùn)用提供良好的擴(kuò)展性。

　　得益于集成式匯流條，采用兩個(gè)直流 (DC) 端口設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。與愛(ài)普科斯 (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 (DC) 供電電流，進(jìn)而確保模塊實(shí)現(xiàn)更高利用率。圖2(見(jiàn)右圖)顯示為通過(guò)額定電流為400V的內(nèi)部匯流條的電流流 向。這表示愛(ài)普科斯 (EPCOS) 直流鏈路電容器匯流條和模塊之間的電流能夠獲得對(duì)稱(chēng)均勻的分布。

　　圖2：顯著降低過(guò)電壓

　　愛(ài)普科斯 (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)品則是愛(ài)普科斯 (EPCOS) B25655P4477J直流鏈路電容器。該款電容器的端口專(zhuān)為精確配合絕緣柵雙 極晶體管 (IGBT) 模塊的直流 (DC) 端口而設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理主要基于專(zhuān)為英飛凌的HybirdPACK和EASY系列產(chǎn)品而設(shè)計(jì) 的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 現(xiàn)有電容器。該系列電容器有兩種型號(hào)，其一是電容為470 µF，額定電壓為450V DC或500V DC，尺寸僅為154 mm x 72 mm x 50 mm的型號(hào)。這一節(jié)省空間的設(shè)計(jì)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(shù)。其二為價(jià)格最為經(jīng)濟(jì)，電容為380µF的平繞組型號(hào) (B25655P4387J)。上述兩個(gè)型號(hào)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)省空間的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 直流鏈路電容器

　　在無(wú)屏蔽電纜的情況下獲得高EMC性能

　　TDK集團(tuán)還研發(fā)出一系列雙路電壓直流 (DC) 濾波器。該濾波器專(zhuān)為汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)量身定制，符合《聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委 員會(huì)第10號(hào)法規(guī)(第5版)》中關(guān)于EMC性能的所有規(guī)定。P100316*系列愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高電壓直流 (DC) 濾波器

　　(見(jiàn)圖4)最大工作電壓達(dá)600 V DC，非常適合使用高壓電池供電的典型高壓應(yīng)用。濾波器的電流流通量-為直流150 A 或350 A，這意味著濾波器可適用于輸出功率高達(dá)100 kW驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所有型號(hào)濾波器的直流電阻僅為0.05 m?，即使在 大電流情況下亦不會(huì)有明顯損耗。

　　圖4：用于汽車(chē)逆變器的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高電壓直流 (DC) 濾波器

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

　　圖5：使用愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高電直流電磁兼容性 (EMC) 濾波器時(shí)的輻射值

　　顯而易見(jiàn)：通過(guò)在電池和逆變器之間使用新款電磁兼容性 (EMC) 濾波器，能夠在使用無(wú)屏蔽電纜的情況下大幅降低傳導(dǎo)干擾

　　盡管僅使用一根無(wú)屏蔽直流 (DC) 電纜，采用愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高電壓直流電磁兼容性 (EMC) 濾波器仍能夠?qū)鲗?dǎo)干 擾降低最大至70dB，這樣當(dāng)于獲得3000倍的屏蔽效能。而這并非唯一優(yōu)勢(shì)：新款濾波器還能大幅減少獨(dú)立系統(tǒng)元件所需 的常規(guī)類(lèi)電磁兼容性 (EMC) 測(cè)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(diǎn)，而這些技術(shù)參數(shù)對(duì)于濾波器在汽車(chē)領(lǐng)域的運(yùn)用極為關(guān)鍵。根據(jù)不同的型號(hào)，產(chǎn)品尺寸范圍為186 mm x 65 mm x 65 mm到121 mm x 52 mm x 52 mm，客戶(hù)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(hào)外，我們還提供在150kHz至300kHz的長(zhǎng)波波譜范圍內(nèi)具有高濾波效果的型號(hào)。

　　愛(ài)普科斯 (EPCOS) 鐵氧體磁芯延長(zhǎng)電機(jī)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(guò)電機(jī)電纜寄生電感進(jìn)一步擴(kuò)大。在不利的環(huán)境條件下，這些電壓尖峰將會(huì)造成能夠損壞電機(jī)繞組的電弧放電現(xiàn)象。同時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率還能導(dǎo)致電機(jī)繞組及 其機(jī)殼(地面電位)之間產(chǎn)生較高的寄生電容，從而造成通過(guò)電機(jī)軸承出現(xiàn)漏電流，進(jìn)而產(chǎn)生電火花。

　　通過(guò)鐵氧體環(huán)形磁芯將電機(jī)電纜引至逆變器輸出端是針對(duì)上述現(xiàn)象的一個(gè)補(bǔ)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(wú)關(guān)緊要的低水平，這能夠確保符合第I級(jí)至第III級(jí)的限制規(guī)定(見(jiàn)圖6)。為此，TDK集團(tuán)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(duì)特定的頻率范圍和溫度進(jìn)行了優(yōu)化，能夠適用于所有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。鑒于此，我們推薦客戶(hù)選用愛(ài)普科斯(EPCOS) EMC(電磁兼容性)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

　　愛(ài)普科斯 (EPCOS) 鐵氧體環(huán)形磁芯能夠確保符合第I級(jí)至第III級(jí)的限制規(guī)定。

　　此外，英飛凌 (Infineon) 還專(zhuān)為HybridPACK1 DC6模塊研發(fā)出一款全新的驅(qū)動(dòng)板。該款驅(qū)動(dòng)板基于久經(jīng)考驗(yàn)的英飛凌 (Infineon) 柵極驅(qū)動(dòng)IC的1ED020I12FA2系列進(jìn)行研發(fā)。此驅(qū)動(dòng)板能夠保證高效的EMC協(xié)調(diào)運(yùn)行，并能確保此次改良配置能輕松實(shí)現(xiàn)。最終，我們能夠獲得涵蓋絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 模塊、直流鏈路電容器、EMC濾波器和柵極驅(qū)動(dòng)的基本功率輸出級(jí)并且，我們從一開(kāi)始就充分考慮到所有必要的EMC要求。

　　逆變器物料清單