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                        電動汽車驅動逆變器設計

                        添加時間:2018/08/02 來源:浙江大學 作者:劉超
                        散熱器的理論熱阻,是在假設損耗在散熱器表面均勻分布的情況下得到的,對于損耗在散熱器表面分布不均勻的情況,能否對理論的熱阻計算進行改進,得到散熱器表面不同位置的溫度,值得進一步研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          汽車行業的迅猛發展,給人類的交通帶來了極大的便利,但同時也使環境污染、全球變暖W及能源短缺問題變得日益突出,因此節能環保的新能源汽車尤其是電動汽車近些年來實現快速發展。電機驅動系統是電動汽車核必技術之一,驅動逆變器是影響電動汽車能效、安全性、可靠性的重要因素,論文對電動汽車用電機驅動逆變器展開了相關研巧。

                          論文第一章介紹了驅動逆變器的散熱方式和應用SiC等新型功率器件的驅動逆變器研究現狀,然后分析了永磁同步電機常見的控制策略,并對比了基于位置傳感器獲取電機轉子位畳方法的研究現狀。

                          論文第二章研巧了電機驅動風冷逆變器散熱系統的設計方法,通過建立逆變器和散熱器的熱阻模型,得到散熱器熱阻與其幾何參數的關系,然后對散熱器的幾何參數進行設計,并分別采用熱仿真和實驗與理論設計進行比對。本文還對SiC MOSFET和Si IGBT實驗平臺的散熱設計進行了比較。

                          論文第H章基于永磁同步電機數學模型,針對磁場定向(:’尸0)矢量控制策略,完成硬件電路和軟件系統的設計,其中主要分析了基于旋轉變壓器的轉子位置檢測電路的設計,并搭建了 lOkWSiCMOSFET電機驅動逆變器實驗平臺,對轉子位置檢測電路和磁場定向(z’fO)矢量控制進行實驗驗證。

                          論文第四章對所做的研究工作進行總結,并對未來的工作進斤展望。

                          關鍵詞::電動汽車,逆變器,永磁同步電機,散熱器,位置檢測電路

                        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

                          近些年來,電力電子技術得到飛速發展,在高效率以及高功率密度方面取得了很多重要突破,自1970年以來,功率半導體器件的開關頻率平均每10年將會増加10倍,同時電力電子變換器的功率密度平均毎10年增加1倍。散熱系統的體積,無源元件的大小,巧片的封裝技術,控制調理電路以及輔助電源越來越成為制約電力電子變換器功率密度的瓶頸。

                          在通常的變換器總體積中,散熱系統占據著比較大的比重,減小散熱系統的體積對于功率密度的提升具有顯著的效果。當然,散熱系統的體積不能盲目減小,需要滿足電子設備的散熱需求。當前電力電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單位體積的的耗散功率,使得散熱問題日益突出,忘片溫度的升高對電力電子器件的影響主要包括;減少器件的額定輸出功率,増大器件的通態損耗,降低額定電壓等等以。若是功率器件的巧片溫度超過所允許的最高工作溫度,不僅影響到設備的性能,甚至還會縮短設備的壽命,導致器件性能的惡化心文致最終損壞。圖1-1是電子裝置損壞的主要原因,可1^^看到電子設備的失效原因中,55%是由于過溫引起的,據統計功率器件工作的環境溫度每升高lO’C,其可靠度將會降低一半以。所以散熱系統的體積設計一定要liJl滿足電子設備散熱要求為前提。

                          隨著環境污染、全球變暖以及能源短缺問題的日益突出,純電動汽車得到了快速的發展,而電機驅動逆變器是電動汽車的核也部件之一。電動汽車驅動逆變器對功率密度具有很高的要求,驅動逆變器的散熱設計不僅影響電驅動系統能否可靠穩定的運行,而且散熱系統的體積也成為制約逆變器功率密度的瓶頸,本文針對風冷式驅動逆變器的散熱系統進行設計。同時,電動汽車永磁同步電機矢量控制中,通常采用旋轉變壓器配合相應的解碼芯片檢測電機轉子的位置,其解碼電路的設計,對電動汽車的矢量控制具有重要影響。

                          本文第一章首先介紹了電機驅動逆變器對于電動汽車的重要意義,闡述了散熱系統的體積以及SiC等新型器件的應用對于變換器功率密度的影響,比較了當前應用于電動汽車電機驅動逆變器的主要散熱方式,介紹了目前SiC M0SFET逆變器的發展現狀,然后對永磁同步電機的控制策略和基于位置傳感器獲取轉子位置的研巧進行了介紹與比較。在本章最后闡述了本文選題的意義和課題研究內容。

                          第二章主要研究了電機驅動風冷逆變器的散熱設計,首先基于功率器件的損耗分析,獲得需要散熱器耗散的功率數據,建立逆變器和散熱器的穩態熱阻模型,然后在滿足逆變器散熱需求的條件下,從散熱器風扇個數、散熱溝槽數、肋片厚度以及散熱器的溝槽長度等角度對散熱器進行設計,獲得散熱器具體的幾何尺寸結構后,通過熱仿真和實驗與理論設計進行比對,并分析了散熱溝槽數、肋片厚度及風扇的風量對散熱器散熱性能的影響。本文還對SiC MOSFET和Si IGBT實驗平臺的散熱設計進行了比較。

                          第三章基于永磁同步電機的數學模型,針對磁場定向矢量控制的原理,選擇旋轉變壓器檢測轉子的位置,對控制電路,尤其是轉子位置檢測電路進行詳細的設計,并對控制系統的軟件進斤設計。最后搭建SiC MOSFET驅動逆變器實驗平臺,進行相關的實驗驗證。

                          第四章對全文工作進行了總結并對以后的研巧工作進行了展望。

                          電動汽車驅動逆變器設計與實現:

                        散熱器幾何結構
                        散熱器幾何結構

                        所選風扇極其特性曲線
                        所選風扇極其特性曲線

                        不同參數下散熱器體積與阻熱的關系
                        不同參數下散熱器體積與阻熱的關系

                        SiC MOSFET散熱系統結構圖
                        SiC MOSFET散熱系統結構圖

                        散熱器溫度分布
                        散熱器溫度分布

                        散熱器切面風速分布
                        散熱器切面風速分布

                        逆變器實驗平臺
                        逆變器實驗平臺

                        IGBT模塊的外形圖和電路圖
                        IGBT模塊的外形圖和電路圖

                        IGBT逆變器散熱系統結構圖
                        IGBT逆變器散熱系統結構圖

                        IGBT逆變器實驗平臺
                        IGBT逆變器實驗平臺

                        目錄

                          摘要
                          ABSTRACT
                          目錄
                          第1章 緒論
                            1.1 高功率密度變換器發展及現狀
                              1.1.1 變換器功率密度影響因素
                              1.1.2 驅動逆變器散熱方式研究現狀
                              1.1.3 SiCMOSFET逆變器研巧現狀
                            1.2 永磁同步電機驅動系統研究現狀
                              1.2.1 永磁同步電機控制策略
                              1.2.2 基于位置傳感器獲取轉子位置的研巧
                            1.3 本文選題意義與研巧內容
                              1.3.1 本文選題意義
                              1.3.2 課題研究內容
                          第2章 電動汽車風?Hi變器散熱設計
                            2.1 SiCMOSFET逆變器散熱設計
                              2.1.1 功率器件損耗模型
                              2.1.2 逆變器穩態熱阻模型
                              2.1.3 散熱器穩態熱阻模型
                              2.1.4 散熱器理論設計
                            2.2 散熱器仿真與實驗結果
                              2.2.1 SiCMOSFET逆變器損耗測試
                              2.2.2 散熱器熱仿真結果
                              2.2.3 散熱器實驗結果
                              2.2.4 散熱器散熱性能影響因素分析
                            2.3 IGBT逆變器散熱設計
                              2.3.1 散熱器理論設計
                              2.3.2 仿真與實驗結果
                              2.3.3 SiC MOSFET與IGBT逆變器散熱設計比較
                            2.4本章小結
                          第3章 PMSM健檢測電路設計與
                            3.1 PMSM磁場定向控制方案分析
                              3.1.1 PMSM數學模型
                              3.1.2 磁場定向(zV=0)控制原理
                            3.2 位置檢測電路設計
                              3.2;1 旋轉變壓器工作原理
                              3.2.2 解碼電路設計
                              3.2.3 解碼電路實驗驗證
                            3.3 系統軟件設計
                            3.4 實驗結果與分析
                              3.4.1 電流環實驗
                              3.4.2 轉速環實驗
                            3.5 本章小結
                          第4章 總結與展望
                          參考文獻
                          致謝

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