摘 要：在分析傳統的車用電機驅動系統仿真建模方法的缺陷和選取主要考慮因素的基礎上，本文研究與開發了基于Simplorer 的車用電機驅動系統仿真平臺。按照實際系統建立考慮主功率電路寄生參數的精確車用電機驅動系統電路模型和熱模型，包括蓄電池的等效電路子模型、直流側電容子模型、疊層母排子模型、IGBT 模塊電熱模型和永磁電機模型，并通過 C 語言編程建立控制策略模型。實驗和仿真結果表明，該仿真平臺不僅能夠評估穩態和瞬態工況下車用控制器各關鍵器件電應力、熱應力和機械應力等參數，而且能夠針對電動汽車應用，考察電機驅動系統各部件之間的相互影響，實現 IGBT模塊精確快速的電熱仿真，指導車用電機驅動系統設計從而實現系統的高功率密度和高可靠性。
1.引言
車用電機驅動系統時常處于復雜的電磁環境、較高的溫度沖擊和機械沖擊下，內部器件易產生長時耗損失效(疲勞損壞)和瞬時永久失效。國內外相關文獻[4,5]研究表明系統失效主要發生在其內部關鍵部件上，例如 IGBT 開關器件、母線支撐電容、控制電路等。其中 IGBT 模塊在實際運行時存在過壓，過流等故障 [6,7]。當流經 IGBT 的電流值超過本身所能承受的最大值時，由于器件的溫度限制，IGBT 易發生過流損壞;由于線路寄生電感和負載電流波動的影響，IGBT 關斷時 Ldi/dt 變化很大， 當瞬間電壓超過器件的最大可重復電壓時，IGBT 易發生過壓損壞。 因此建立考慮控制器主功率電路主要寄生參數的精確車用電機驅動系統電路模型和熱模型對于電機驅動系統設計和可靠性評估至關重要[1,2]。
傳統的電力電子仿真軟件如 PSPICE 主要用于電路仿真，并不能有效分析寄生電感、系統連接方式、封裝散熱結構和控制策略等因素對系統特性的影響。Ansys 公司的 Simplorer 軟件是一個多物理域的高性能系統仿真軟件，用于對涉及電、磁、熱和機械在內的復雜多域系統進行高精度建模、仿真和優化。而車用電機驅動系統是一個多物理域耦合的復雜系統[8,9]，需要利用多物理域集成仿真平臺研究穩態和瞬態工況下系統各關鍵器件電應力、 熱應力和機械應力等參數。因此本文以車用電機驅動系統為研究對象，基于Simplorer建立考慮主功率電路主要寄生參數的精確車用電機驅動系統電路模型和熱模型，以分析車用電機驅動系統的電氣特性和熱特性，為設計提出指導，提高系統的功率密度和可靠性。
2.電機驅動系統建模
2.1 驅動系統主回路基本結構
車用電機驅動系統多采用典型的三相橋式電壓型逆變電路，主要包括蓄電池組、直流側電容、疊層母線排、IGBT 模塊和電機負載。圖 1 為一個考慮到寄生參數的驅動系統功率主回路電路圖。在電動汽車中，蓄電池組是控制器的直流電源。直流側電容是控制器中直流側(蓄電池組)和交流側(交流電機)之間的負載平衡儲能元件，起著為電機(感性)負載提供無功功率，穩定直流電壓的作用。
為詳細分析控制器主功率電路的動態特性，在Simplorer環境下建立帶寄生參數的控制器主功率電路仿真模型，如圖 2 所示。
2.2 控制器主功率電路模型
由圖 2 可以看出，控制器主功率電路模型主要包括 4 個子模型，分別為蓄電池組子模型、直流側電容子模型、疊層母排子模型和三相全橋 IGBT 模塊子模型。蓄電池組采用考慮到電池暫態特性的等效電路模型[11]。直流側電容采用 LCR 高頻等效電路模型，通過 LCR 測試儀抽取其精確參數值。疊層母排模型的建立比較困難，主要原因是其參數量級很小(nH) ，并且受工作溫度、開關頻率等因素影響較大，實驗測試很難獲得其準確參數。而MAXWELL Q3D 是一種考慮材料屬性和機械結構， 采用有限元方法計算母排寄生參數[12]的專業軟件。 本文利用該軟件設計母排結構，分析以上參數和母排寄生電感的關系， 并生成與 Simplorer 軟件兼容等效電路模型。
IGBT 功率模塊作為控制器的核心部件， 其模型參數的準確性直接影響整個主功率電路的仿真精度。IGBT 模塊是一個熱電耦合系統， 電氣和熱性能相互影響。建立 IGBT 模塊的熱電模型至關重要。本文功率模塊采用 Infineon 的 FF1200R17KE3 IGBT 模塊， 模型采用基于 Simplorer 的 Characterize Device 功能實現，通過模塊廠商提供的數據和實驗波形抽取模型的參數[3]，建立 IGBT 模塊的熱電模型如圖 3 所示，圖中標識 1 表示 IGBT 的電氣模型， 標識 2 表示 IGBT 熱網絡模型，T2、D2 分別為 IGBT 和 Diode 電氣模型與熱模型的數據接口。仿真時，電氣模型和熱網絡模型通過該數據接口實現實時的數據傳遞和交換。
2.3 控制策略模型
該電機驅動系統采用基于轉子磁場定向的矢量控制策略。借助于 Simplorer 的 C-model editor 工具，可以方便的采用 C/C++語言實現 SVPWM 調制策略，如圖 4 所示。
利用該方法，對已有的 C 語言算法，進行一定修改，即可實現代碼的快速移植。利用模型編輯器強大的建模功能，可以實現不同控制策略的建模，構建模型庫。
2.4 永磁電機模型
仿真中，負載電機可以采用三種方式實現：簡化的 R 、L 模型、電機等效電路模型和基于有限元場分析的 Maxwell 電機模型。 利用 Simplorer 提供的軟件接口，可以實現 Maxwell 和 Simplorer 的聯合仿真，用于研究電機瞬態工況對車用控制器各關鍵器件電應力、熱應力和機械應力等參數的影響，大大提高了系統仿真的精度。本文仿真中采用電機等效電路模型。
3.仿真結果分析
3.1 IGBT 模塊動靜態特性仿真
對Infineon的FF1200R17KE3 IGBT模型進行仿真驗證，不同溫度條件下的靜態特性的仿真結果與器件datasheet 比較如圖 5 所示。動態特性采用阻感性負載實驗驗證，測試條件為Vce=75V，采用蓄電池供電，負載為 1 歐電阻和電感
0.45mH， 開關頻率 10KHZ， 驅動電源電壓 Vge=±15V，驅動電阻 Rg=1.2 歐。 仿真和實驗波形如圖 6 和圖 7 所示。比較開通電流過沖，關斷電壓過沖、開關時間等關鍵參數，結果表明仿真和實驗波形一致度良好。通過對電壓和電流的乘積積分，計算開關損耗 Eon 及Eoff，仿真和實驗的最大誤差小于 10%。上述結果表明 IGBT 模塊模型，IGBT 驅動電路模型，電氣互聯寄生參數模型，直流支撐電容模型具有良好的精度。
3.2 IGBT 模塊穩態與暫態熱仿真
對 IGBT 熱網絡模型進行仿真驗證， 并與 FEM 熱仿真進行對比。圖 8 是恒定平均功率熱源下模塊各層的穩態熱響應曲線，圖 9 是頻率 1kHz、占空比 1%熱源下 IGBT 芯片溫度暫態響應曲線，由仿真對比結果可知，仿真和 FEM 計算結果一致度良好。采用熱阻等效電路，既可以獲得準確的熱響應，同時比 FEM 方法節約了時間，便于系統仿真應用。
4.結論
本文在 Simplorer 環境下建立考慮了主功率電路寄生參數的精確車用電機驅動系統電路模型和熱模型，并通過 C 語言編寫控制策略模型。綜合考慮了車用電機驅動系統部件建模，控制系統建模，系統結構、封裝、散熱等問題。通過器件數據手冊和實驗相結合的方法抽取各部件模型的參數，從而仿真分析主功率電路的暫態過程以及 IGBT 模塊的電熱特性。仿真和實驗表明直流電容高頻模型，IGBT 模塊電熱模型， 疊層母排模型具有良好的精度，適用于分析不同工況下各關鍵器件電應力、熱應力和機械應力等參數，優化車用電機驅動系統結構設計，實現車用電機驅動系統的高功率密度和高可靠性。
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作者簡介：
柳丹，女，1988 年出生，碩士研究生在讀，研究方向為電力電子及電力傳動。
劉鈞，男，1977 年出生，高級工程師，研究方向為電動汽車用電機驅動系統研發，電力電子集成。
