电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统硬件设计研究

摘要：永磁同步电机因具有高效、可靠和低噪音等优点获得广泛的应用，而与其相配套的驱动系统对电机的性能、能效等方面的表现有直接的影响。基于此，探讨了永磁同步电机SiC驱动系统在电动汽车中的重要性，深入分析了电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统硬件设计难点和要点，研究结论可供同行工程人员参考。

关键词：电动汽车；永磁同步电机；SiC驱动系统；硬件设计

中图分类号：U462 收稿日期：2024-07-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.025

1 前言

随着全球对环境保护和可持续发展的日益关注，电动汽车作为替代传统燃油车辆的清洁能源交通方式正逐渐成为主流。在电动汽车领域中，电机驱动系统的性能直接决定车辆的性能，而电动汽车永磁同步电机（PMSM）是电动汽车驱动电机的首选，其SiC驱动系统的硬件设计重点在于可靠性、效率和性能方面。硬件设计的关键在于如何充分发挥电机和SiC的优势，同时克服电动汽车驱动系统在高功率密度、高转速和复杂工况下面临的挑战。在设计过程中，需要考虑电机与SiC之间的匹配性、散热设计、电磁兼容性等方面的问题，以确保系统的稳定性和安全性。

2 永磁同步电机SiC驱动系统在电动汽车中的重要性

电动汽车的性能和续航能力直接受到驱动系统电能转换效率的影响。SiC驱动系统可以实现电能从电池到电动机的有效转换，最大限度地减少能量损耗，从而提高车辆的能效，延长续航里程。电动汽车需要根据不同驾驶场景提供动力输出的精确控制，以实现最佳性能和驾驶体验。SiC驱动系统通过精密的控制算法和快速的开关切换，可以实现对PMSM电机的精确控制，包括转速和扭矩等方面的调节，从而提供更加稳定、高效的动力输出。

在电动汽车中，对驱动系统的可靠性要求极高，任何故障都可能导致车辆失去动力或者发生安全隐患。SiC驱动系统采用先进的电力电子技术和可靠的设计，能够确保电能的稳定传输，并且具备过载保护、短路保护等功能，有效地降低了系统故障的风险，提高了车辆的安全性和可靠性。SiC驱动系统还具有体积小、重量轻、功率密度高等优点，可以更好地满足电动汽车对于轻量化和高性能的要求，它们的高度集成化设计也有助于简化系统的布局和安装，提高了整车的制造效率和降低生产成本。

SiC驱动系统在电动汽车中扮演着至关重要的角色，不仅可以提高电能转换效率，实现高性能的电机控制，而且能够确保电力传输的可靠性和安全性。随着电动汽车市场的持续增长和技术的不断进步，SiC驱动系统将继续发挥重要作用，推动电动汽车的发展迈向更加高效、可靠和智能的方向。

3 硬件设计难点

3.1 控制电路设计难点

由于PMSM电机是高精度电机，其转速、转矩的控制要求极高，控制电路需要设计高性能的电流、速度闭环控制算法，并且实现这些算法需要高精度的传感器和准确的测量电路，在这方面，误差补偿、反馈延迟和系统响应速度是需要充分考虑和解决的问题。电动汽车中的空间和重量都是重要的考虑因素，控制电路需要在有限的空间内实现高功率密度，这意味着设计中需要使用更高效、更紧凑的电子元件，并且要解决散热和电磁兼容性等问题。

SiC作为功率开关元件，在高频率下nloVpYR0IG7epgLP3/5kCJrdxUA+maljRTryNcOJ/Is=的开关损耗、温升和电压波形的控制都是需要仔细考虑的难点。在动态性能方面，控制电路需要能够快速响应各种负载和速度变化，并且能够保持系统的稳定性；在稳态性能方面，控制电路需要能够在长时间运行中保持高效率和稳定性，同时避免因为过载、过热等问题导致系统失效。电动汽车是一种高度依赖电力系统的交通工具，其电机驱动系统的可靠性直接关系到车辆的安全和可靠性，控制电路需要具备完善的故障检测、保护和容错机制，以确保在各种异常情况下能够及时停止电机并保护系统和驾乘人员的安全。

3.2 热管理设计难点

电动汽车的驱动系统通常需要输出高功率，而高功率的输出会产生大量的热量。在SiC驱动系统中，功率晶体管的工作时会发热，如果热量无法有效地散发或处理，将导致系统过热，进而影响整个驱动系统的稳定性和可靠性，如何有效地进行热量管理成为设计中的首要难点。电动汽车在不同的工作条件下会面临不同的热负荷，例如在高速行驶或者急加速时，电机工作时长和负载都会增加，从而增加了SiC驱动系统的热量产生，在低速行驶或者长时间拥堵情况下，系统的热量散发则会受到限制，需要在设计中考虑不同工况下的热管理策略，确保系统在各种情况下都能够有效地控制温度。SiC驱动系统的集成密度较高，元器件之间的热耦合效应也会增加热管理的难度，当一个元器件发热时，周围的元器件可能会受到影响，进而形成热点区域，导致局部温度过高，这就需要在设计中采取合适的隔热措施和散热结构，以避免热点区域的出现，并确保整个系统的温度均匀分布。

4 硬件设计要点

4.1 SiC功率模块选取与配置

选择合适的SiC功率模块应考虑到电动汽车的功率需求和工作环境条件。通常情况下，功率模块的额定电流应大于电动汽车电机的额定电流，以确保系统的稳定性和安全性。同时，应考虑到功率模块的工作温度范围、散热性能和可靠性等因素，选择具有良好的性能指标和适用范围的产品。例如，常用的SiC功率模块封装形式有HPD、半桥、单管等，它们具有不同的额定电流、耐压和散热形式，可根据实际需求选择。配置SiC功率模块应注意匹配驱动电路和散热系统，以确保系统的稳定性和效率。

在驱动电路方面，应选用高性能的驱动芯片，如NXP-GD3160等，以确保SiC的正常工作和保护功能，应注意驱动电路的设计和布局，减小驱动回路的寄生参数，提高驱动速度和响应性[1]。在散热系统方面，应合理设计散热器的尺寸和水道布局，确保功率模块在高负载工况下的稳定工作温度，提高散热效率。配置SiC功率模块应注意保护和监测功能，提高系统的可靠性和安全性，常见的保护功能包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等，应在驱动电路中添加相应的保护电路和检测元件，及时监测和响应功率模块的异常工况。

应配备完善的故障诊断和报警系统，提供准确的故障信息和处理建议，确保电动汽车驱动系统的安全运行。例如，可以通过添加电流传感器、电压传感器和温度传感器等元件，实时监测功率模块的工作状态，并通过控制器进行故障诊断和处理。通过选择合适的SiC封装形式和规格，优化驱动电路设计和热设计，可以实现功率模块的稳定工作和高效性能，通过添加保护和监测功能，提高系统的可靠性和安全性，为电动汽车的稳定运行提供保障。

4.2 电路拓扑结构设计

常见的SiC驱动电路拓扑结构包括单级逆变器、双级逆变器、三级逆变器（图1）等，在选择拓扑结构时，需要综合考虑功率级别、电气特性、成本和可靠性等因素。例如，对于电动汽车应用，通常采用双级逆变器结构，可以提高效率和降低电磁干扰。在设计电路拓扑结构时，需要选择适合的功率器件，如SiC、二极管等，并确定其参数，如额定电压、额定电流、导通压降等，这些参数直接影响着电路的性能和稳定性。例如，选择额定电流适当的SiC，可以提高电路的可靠性和功率密度[2]。

驱动电路是控制SiC开关的关键，直接影响着电路的开关速度和效率。在设计驱动电路时，需要考虑到SiC的特性和工作条件，合理选择驱动电压、驱动电流和保护功能。例如，采用隔离的驱动电路可以提高电路的抗干扰能力和安全性。良好的电路布局和散热设计可以提高电路的稳定性和可靠性，减少电路损耗并延长器件寿命。

在设计电路布局时，需要考虑到信号传输路径、电源线路、地线布局等因素，尽量减小电路的电磁干扰，合理设计散热结构和散热系统，确保器件在工作过程中能够有效散热，防止过热损坏。在完成电路设计后，需要进行电路仿真和实验验证，确保电路的性能和稳定性符合设计要求，通过仿真软件可以模拟电路的工作过程，分析电压、电流、功率等参数的波形变化，发现潜在问题并进行优化，还需要进行实验验证，验证电路的实际工作性能，保证其在各种工况下都能正常稳定工作。

电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统的硬件设计涉及电路拓扑结构、功率器件选型、驱动电路设计、布局散热设计以及仿真验证等多个方面，只有在这些方面都考虑到位，才能够设计出性能优良、稳定可靠的电路系统，满足电动汽车的高效运行需求。

4.3 电磁兼容性（EMC）设计

需要对电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统的各个组成部分进行分析，确定可能产生电磁干扰的元器件和模块，这些元器件和模块包括但不限于电机、SiC模块、电源模块、控制器等，针对这些可能产生电磁干扰的部分，需要采取相应的措施进行抑制和防范。对于电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统的硬件布局和线路设计，需要遵循一定的电磁兼容性原则。例如，应该尽量减少线路长度，降低线路的阻抗和电感，减小回路面积，以减少电磁辐射和敏感性，在设计电路板时，要合理布局元器件，尽量避免产生电磁干扰的热点区域，减少信号线和功率线的交叉和平行布置，以降低互相干扰的可能性。

在电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统中，常见的抑制器件包括滤波电容、滤波电感、电磁屏蔽罩等，通过合理选取和配置这些器件，可以有效地抑制系统中产生的电磁干扰，并减小对外部环境的干扰。对电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统进行电磁兼容性测试和验证，这包括传导干扰和辐射干扰两个方面的测试，传导干扰测试主要是针对系统中的各种线路和接口，检测其传导电磁干扰的情况；而辐射干扰测试则是检测系统产生的电磁辐射是否符合国家和行业标准的要求，通过测试和验证，可以及时发现和解决系统中存在的电磁兼容性问题，确保系统的正常运行和稳定性。随着技术的不断发展和应用环境的变化，可能会出现新的电磁干扰问题和挑战，需要不断地进行技术创新和改进，提高系统的电磁兼容性水平，保障电动汽车的安全性和可靠性[3]。

4.4 电路原理图绘制

在绘制电路原理图之前，需要明确整个系统的结构和功能模块，典型的PMSM驱动系统包括功率电路、控制电路、保护电路等模块，根据系统需求和设计规范，确定各个功能模块的位置和连接方式，为后续的电路原理图绘制奠定基础。根据系统设计要求和性能指标，选择适合的SiC功率模块、电感、电容、电阻等元器件，考虑到PMSM驱动系统的高效性和稳定性要求，需要选择质量可靠、性能优良的器件，保证系统的可靠性和稳定性，注意元器件的参数匹配和功率容量，确保电路设计符合实际需求。

根据系统架构和功能模块，绘制电路连接图，将各个功能模块的主要器件按照功能连接起来，形成整体电路框架，逐步细化各个模块的内部连接，包括电源输入、信号输入输出、控制信号传输等，在绘制过程中，要注意连接线的规划和布局，保持电路图的清晰易读[4]。PMSM驱动系统中的SiC功率模块等器件容易受到过流、过压、过温等因素的影响，需要添加相应的保护电路，保护关键器件和电路不受损坏，常见的保护电路包括过流保护、过压保护、过温保护等，在电路原理图中，将保护电路合理布局，并与主电路连接，确保保护功能的有效性。PMSM驱动系统的控制电路包括逆变控制、PWM控制、速度闭环控制等，根据系统设计要求，绘制相应的控制电路，并与功率电路连接起来，在绘制控制电路时，要注意信号传输的稳定性和准确性，确保控制系统的灵活性和精确性。

5 结语

电动汽车永磁同步电机SiC驱动系统的硬件设计在电动汽车技术发展中具有重要意义，只有通过不断深入研究和实践探索，才能不断优化系统设计，提高电动汽车的整体性能和可靠性，推动电动汽车技术的进步，为构建绿色、智能、可持续的交通系统做出贡献。未来的电动汽车将更加智能化、高效化，电机和驱动系统将更加紧密地融合，新型材料和制造工艺将进一步提升系统性能。

参考文献：

[1]张念忠，王冠峰，王明生.车用永磁同步电机无电流传感器控制研究[J].汽车工程，2024，46（2）：281-289.

[2]刘显茜，李文辉，曹军磊.永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析[J].兵器装备工程学报，2024，45（2）：109-116.

[3]王毅，赵轲.基于随机梯度下降的永磁同步电机弱磁扩速控制[J].汽车电器，2024（2）：26-29.

[4]倪双飞，戴宇辰，蔡启程.基于扰动观测器的电动汽车永磁同步电机预设性能控制[J].控制与信息技术，2024（1）：23-30.