高级逆变器模型

1. 概述

随着新能源汽车的蓬勃发展，人们对新能源电动汽车提出了越来越多的需求，作为新能源电动汽车最重要的组成部分，电机的性能遭到了极大的挑战。如何让电机响应更快、动力性更好、效率更高，如何能够快速开发高性能的电机总成，满足客户需求，在激烈的市场中占据自己的一席之地，已经成为了各大电机、电机控制器厂商亟待解决的问题。恒润科技作为本土高科技企业，一直致力于电机HIL （Hardware in the loop）测试设备的研发，将助力电机、电机控制器厂商快速开发高性能产品，满足市场需求。

2. 测试需求

电机hil测试设备主要是针对电机控制器进行测试，具备安全、快速、可重复性强等优点，能够对电机控制器的各项功能进行快速测试。电机HIL测试设备核心部分主要由硬件和模型组成，硬件用于和电机控制器硬件构成电气回路，模型主要包括逆变器模型和电机本体模型，用于和电机控制器的控制算法构成逻辑回路，硬件和模型的联合给电机控制器提供了一个完善的仿真测试平台。文章主要针对电机HIL测试设备中逆变器模型进行详细介绍。

3. 逆变器建模

逆变器的作用是将直流母线电压调制为交流电压，交流电压产生旋转磁场，带动永磁铁转子（永磁同步电机）或者转子线圈（交流异步电机）转动，根据调制的方法不同分为SPWM、SAPWM、SVPWM等。本文不对调制方法进行展开，主要集中于单个IGBT和二极管的仿真建模，研究IGBT或者二极管在打开关闭时电压电流的变化过程。



图1. 逆变器电路

逆变器一般有两种建模方法，一种方法是把IGBT和二极管当做理想的开关，开关打开时，开关两端完全断开，开关闭合时，开关两端相当于导线连接。另一种方法是将IGBT或二极管当做可变阻抗，开关打开时，IGBT或二极管相当于电容，开关关闭时，IGBT或二极管相当于电感。第一种方法对应理想开关模型，第二种方法对应本文将重点讲述的高级逆变器模型。

理想开关模型
理想开关模型建模方法极其简单，理想开关模型的基本模型单元是一个桥臂，当上桥臂闭合时，中间点电压等于直流母线正极电压，当下桥臂闭合时，中间点电压等于直流母线负极电压，上桥臂和下桥臂必须一个打开另外一个闭合。




该建模方法的优点是算法简单，采用简单查表就行，能从一定层度反应开关对三相电电压的影响，目前很多电机HIL测试设备均采用该方法建模，但是该建模方法也存在很多的缺点：

• 没有针对单个IGBT建模，而是针对一个桥臂（两个IGBT）的开关状态进行建模，这意味着有些算法如半桥控制没法实现，意味着没法对单个IGBT或者二极管进行故障模拟。
• 没有考虑二极管导通情况，开关的导通由两种可能，IGBT导通或者二极管导通，该建模方法只考虑了IGBT导通。
• IGBT的打开和关闭需要时间，这也是死区控制需要考虑的时间差，该建模方式中IGBT打开和关闭是立刻响应的，不符合IGBT响应特性。
• 该建模方法没法直接从电路原理上实现电流的回馈。只能通过负扭矩的方式计算出负电流，从而间接实现能量回收，这和真实系统存在差异。

基于以上原因，恒润开发了高级逆变器模型。

高级逆变器模型

高级逆变器模型建模的原理是：将IGBT或者二极管当做一个可变阻抗，断开时，IGBT或二极管相当于电容，导通时，IGBT或二极管相当于电感。如果直接按照这种方式进行建模，在开关打开闭合切换的时候会产生电压电流的不连续，由于逆变器开关频率很快，该建模方式容易导致系统发散。为了解决这个问题，可以将IGBT或者二极管当做一个恒流源和一个固定阻抗并联，如图2所示。其中恒流源的大小取决于IGBT或者二极管是否导通。阻抗的大小取决于被模拟电容和电感的阻抗。

下面根据一个电阻和IGBT串联的电路来演示IGBT模型的工作过程。图3是开关打开过程和闭合过程中IGBT两端电压电流的变化情况。IGBT驱动信号为高电平时，IGBT打开，流过IGBT的电流逐渐增大，直到等于E/R，同时IGBT两端的电压逐渐减小，直到0。IGBT驱动信号为低电平时，IGBT关闭，流过IGBT的电流逐渐减小，直到等于0，同时IGBT两端的电压逐渐增大，直到电源电压E。



图2. 开关闭合过程演示电路



图3. 开关打开闭合过程电压电流变化过程

由图2的等效关系对图1所示电路进行等效：



图4. 逆变器等效电路

由逆变器等效电路和基尔霍夫定律可以推导出三相电压和母线电流的计算公式，最终得到逆变器模型如下：



图5. 逆变器模型

下面演示六个IGBT全部关断时逆变器的工作情况，这是理想开关模型没法模拟的。（假设电机转速为100rad/s，逆变器母线电压为580V）

电机按照转速100rad/s空转，会产生感应电动势，感应电动势产生感应电流，图7是电机模型计算得到的三相感应电流。



图6. 电机三相电流

三相感应电流流入逆变器，会计算出三相电压，从图中可以看出三相电压的峰值约为28V，而感应电动势为



两者基本相等，不完全相等的原因是电机线圈上存在部分压降。



图7. 电机三相电压

电机的最终输出扭矩为0，如图8所示，这和实际情况是相吻合的。高级逆变器模型弥补了理想开关模型的缺点，能够更加真实地复现IGBT和二极管的打开关闭过程；能够模拟出感应电动势对电机、逆变器的影响；能够直接从电路原理上实现能量回收。



图8. 电机转速扭矩

优缺点对比



4. 结语

电机控制器HIL测试设备能够在实验室环境下进行，设备可靠性高、集成度好、易于使用和配置，便于维护和扩展，同时，配备强大的自动化测试功能能够极大的提高测试质量和效率。