適合電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)應用綜合解決方案

　　TDK集團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)應用的逆變器綜合解決方案。該設計能夠讓開(kāi)發(fā)者 快捷地測試并實(shí)施驅動(dòng)理念。

　　在工業(yè)運用領(lǐng)域，絕大多電力驅動(dòng)均采用異步電機，而汽車(chē)驅動(dòng)則使用永磁同步電機。對于汽車(chē)和工業(yè)應用而言，制造商按照IEC60034-18041標準規定將此類(lèi)電機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 繞組的介電強度。當逆變器驅動(dòng)此類(lèi)電機時(shí)，繞組的寄生電容以及逆變器的電壓變化率 (dv/dt) 會(huì )導致出現較高的對地泄 漏電流。這些電流能夠導致軸承出現火花，并造成表面侵蝕，進(jìn)而嚴重影響軸承的使用壽命。

　　為獲得較高的能源效率，逆變器功率半導體運行的開(kāi)關(guān)頻率范圍為4kHz - 15kHZ。而這些必要的轉換速率和開(kāi)關(guān)頻率則 會(huì )導致頻率范圍出現約1MHz左右的高振幅諧波。尤其在汽車(chē)運用中，電力驅動(dòng)會(huì )對中波 (MW) 段 (526.5 kHz - 1606.5 kHz) 造成極大的干擾，并導致在車(chē)內幾乎無(wú)法接收中波 (MW) 信號。

　　新產(chǎn)品帶來(lái)顯著(zhù)改善

　　為研制出一個(gè)能與電機完美匹配，并具有電磁兼容性的逆變器，英飛凌科技公司(Infineon Technologies) 和TDK集團開(kāi) 始重新研發(fā)關(guān)鍵元件，并使之完美配合，進(jìn)而對現有的HybridPACK™1進(jìn)行改進(jìn)。除采用具有705V的介電強度的最新款 IGBT3芯片外，新的HybridPACK模塊還具有六個(gè)直流 (DC) 端口，而之前設計中僅有兩個(gè)端口(見(jiàn)圖1)。此外，研發(fā)過(guò)程中還想應地對愛(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)電壓則能相應地從500V降至420V

　　(請參見(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)而設計。對于目前采用兩個(gè)直流 (DC) 端口設計的HybridPACK1模塊，通過(guò)HybridPACK1-DC6模塊可輕松擴展其功率容量，因 為新模塊與其前任設計具有相同的尺寸。這為xEV運用提供良好的擴展性。

　　得益于集成式匯流條，采用兩個(gè)直流 (DC) 端口設計的HybridPACK1模塊結構比較緊湊。而出于兼容性的考慮，新款 HybridPACK1-DC6模塊則繼續沿用這一設計。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稱(chēng)均勻的分布。

　　圖2：顯著(zhù)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) 端口而設計，其設計原理主要基于專(zhuān)為英飛凌的HybirdPACK和EASY系列產(chǎn)品而設計 的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 現有電容器。該系列電容器有兩種型號，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。這一節省空間的設計基于能夠利用一塊疊片式薄膜讓電容器外殼獲得將 近1的體積填充因數的電力電容器芯片 (PCC) 技術(shù)。其二為價(jià)格最為經(jīng)濟，電容為380µF的平繞組型號 (B25655P4387J)。上述兩個(gè)型號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)的電力驅動(dòng)量身定制，符合《聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委 員會(huì )第10號法規(第5版)》中關(guān)于EMC性能的所有規定。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600 V DC，非常適合使用高壓電池供電的典型高壓應用。濾波器的電流流通量-為直流150 A 或350 A，這意味著(zhù)濾波器可適用于輸出功率高達100 kW驅動(dòng)系統。所有型號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?jì)?yōu)勢，還能確保 更好的長(cháng)期穩定性，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) 濾波器仍能夠將傳導干 擾降低最大至70dB，這樣當于獲得3000倍的屏蔽效能。而這并非唯一優(yōu)勢：新款濾波器還能大幅減少獨立系統元件所需 的常規類(lèi)電磁兼容性 (EMC) 測試次數。

　　除優(yōu)異的電氣參數外，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)參數對于濾波器在汽車(chē)領(lǐng)域的運用極為關(guān)鍵。根據不同的型號，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)可根據需要自行選擇。除具有常規的共模抑制比的型號外，我們還提供在150kHz至300kHz的長(cháng)波波譜范圍內具有高濾波效果的型號。

　　愛(ài)普科斯 (EPCOS) 鐵氧體磁芯延長(cháng)電機的使用壽命

　　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)電機電纜寄生電感進(jìn)一步擴大。在不利的環(huán)境條件下，這些電壓尖峰將會(huì )造成能夠損壞電機繞組的電弧放電現象。同時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率還能導致電機繞組及 其機殼(地面電位)之間產(chǎn)生較高的寄生電容，從而造成通過(guò)電機軸承出現漏電流，進(jìn)而產(chǎn)生電火花。

　　通過(guò)鐵氧體環(huán)形磁芯將電機電纜引至逆變器輸出端是針對上述現象的一個(gè)補救方法。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級至第III級的限制規定(見(jiàn)圖6)。為此，TDK集團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，能夠適用于所有驅動(dòng)系統。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級至第III級的限制規定。

　　此外，英飛凌 (Infineon) 還專(zhuān)為HybridPACK1 DC6模塊研發(fā)出一款全新的驅動(dòng)板。該款驅動(dòng)板基于久經(jīng)考驗的英飛凌 (Infineon) 柵極驅動(dòng)IC的1ED020I12FA2系列進(jìn)行研發(fā)。此驅動(dòng)板能夠保證高效的EMC協(xié)調運行，并能確保此次改良配置能輕松實(shí)現。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濾波器和柵極驅動(dòng)的基本功率輸出級并且，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