电力电子技术在电动车驱动系统中的应用

0 引 言

电动汽车是二十一世纪的绿色交通工具，是当前国际上正在进行研究的一项高新技术。它继承电动机、电力电子、微电子与新材料、各种不同的电气驱动系统，还包括光、电、化各学科领域的最新技术于一体，是车辆、电力拖动、电力电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术的集成产物。它以电力为动力解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心。作为清洁、节能的新型交通工具电动车可以做到“零排放”，它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，结构简单，使用维修方便，因此受到广泛的欢迎。高效率、高性能电机驱动技术是其关键技术之一，就各种不同的电机驱动，作概略的回顾和展望。

电动车比燃油汽车早出现近半个世纪，它的发展却远远滞后于燃油汽车。进入20 世纪60 年代，汽车工业的飞速发展给人类提供了便利，但同时也加剧了全球环境的污染，使石油资源大量消耗，带来了温室效应，这使得电动车又得到了重视。电动车不仅可以有效地利用能源，而且改善了交通安全和道路状况，成为一种提高空气质量，减少对汽油依赖的理想的替代交通工具。8 0 年代以来，电动车的研制热潮在全世界范围内兴起，其中在北美、日本和欧洲等地，水平较高，发展较快，正在逐步由样车试制向小批量商业化生产的方向发展。如通用汽车公司的冲击4型，NISSAN 公司的FEV，宝马公司的E1/E2，香港大学研制的U2001 等。

1 电力电子技术发展概述及常用器件简介

电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958 年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了7 0 年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。

由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了G T R、G T O、电力MOSFET 等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化以及电力集成的方向发展，如IGBT、MCT、HVIC 等就是这种发展的产物。

1.1 全控型电力电子器件

(1)门极可关断晶闸管(GTO)

1964 年，美国第一次试制成功了500V/10A 的GTO。在此后的近1 0 年内，G T O 的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自7 0 年代中期开始，G T O 的研制取得突破，相继出世了1 3 0 0 V /600A、2500V/1000A、4500V/2400A 的产品，目前已达9kV/215kA/800Hz 及6kV/6kA/1kHz 的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称G T O 相比，非对称G T O 通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000V 以上) 。逆导型GTO 是在同一芯片上将GTO 与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。

在当前各种自关断器件中，G T O 容量最大，工作频率最低(1～2kHz)。GTO 是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流;GTO通态压降大、dV/dt及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO 虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR 和IGBT 等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势;今后，它也必将在高压领域占有一席之地。

(2)电力场效应晶体管(电力MOSFET)

电力M O S F E T 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小。同时，电力MOSFET 开关速度快、工作频率高(100kHz 以上)，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合。

电力MOSFET 的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1 k V /2A/2MHz和60V/200A/2MHz。1.2 复合型电力电子器件

(1)绝缘门极双极型晶体管(IGBT)IGBT 是由美国GE 公司和RCA 公司于1983 年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT 于1986 年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，I G B T 已开发完成第二代产品，目前，第三代智能IGBT 已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT 可视为双极型大功率晶体管与电力场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT 导通，反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT 因流过反向门极电流而关断。IGBT 集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和电力MOSFET 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。

比较而言，IGBT 的开关速度低于电力MOSFET，却明显高于GTR;IGBT 的通态压降同GTR 相近，但比电力MOSFET 低得多;IGBT 的电流、电压等级与GTR 接近，而比电力MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT 具有上述特点，在中等功率容量(600V 以上) 的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM 逆变器中，IGBT 已逐步替代GTR 成为核心元件。另外，IR 公司已设计出开关频率高达150kHz 的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与电力MOSFET接近，而导通损耗却比电力MOSFET 低得多。

该系列I G B T 有望在高频1 5 0 k H z 整流器中取代电力MOSFET，并大大降低开关损耗。IGBT 的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。

2 电力电子技术在电动车驱动系统中应用

电力电子技术包括功率变换器和电力电子器件。到目前为止，电动汽车的功率变换器主要有两种形式：用于直流电动机的斩波器和交流电机的逆变器。对于直流电动机调速系统，一般均采用斩波器，其功率电路比较简单，效率也比较高。随着功率器件的发展，斩波器的频率可做到几千赫兹，因而很适合用作直流牵引调速。电动汽车采用直流电机驱动，无论是串励电机，还是他励电机，都采用斩波器作为功率变换器。斩波器的功率电力电子器件多采用MOSFET 和BJT，最近也有采用IGBT的。

在DC/AC 变换方式中，一般采用直流斩波器加逆变器和PWM 逆变器两种方式。由于电动汽车的电源(蓄电池)电压低，采用前种方式，传输能量环节过多，会降低整个系统的效率。而采用P W M 电压型逆变器，则线路简单、环节少、效率高。目前，P W M 逆变器出现以下几种发展趋势。

(1 )采用IGBT 元件，提高工作频率，减少低频谐波分量和起动时的电流冲击。当前国外的最高频率已达20kHz。

(2 )相应提高电机额定频率，扩大调速范围，以更好地满足运行要求，同时减少电机的体积和重量，提高功率比。目前国外电动汽车专用电机的最高额定频率已达500Hz。

(3 )采用D S P 为核心的计算机控制系统，实现可靠的矢量控制和运算，电机可做到快速恒力矩起动及弱磁高速运行。这种控制系统稳定，电流冲击小，控制效率高 。除了以上传统的P W M 控制技术外，最近出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。由于采用零电压或零电流开关技术，谐振式变换器具有开关损耗小、电磁干扰小、低噪声、高功率密度和高可靠性等优点，已引起研究人员广泛的兴趣。在功率变换器中，常用的电子开关器件主要有G T O 、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等。由于IGBT集BJT和MOSFET特点于一体，其高阻抗压控栅极，可明显降低栅极驱动功率，从而可使栅极驱动电路集成化。另外，在极短的开关时间可使系统具有快速响应能力，减小开关损耗，降低噪声，是很好的开关器件。M C T 也是一个潜在的选择器件，虽然目前商用的MCT 的额定值还有待于提高。可是，由于MCT 低的通导压降, 随着M C T 制作工艺和新材料的使用, 未来的M C T 在电动汽车中将有良好的应用前景。图4 给出了电动车驱动系统的大致框图，其中主要由电机、功率变换和控制技术三部分组成。

电动车用电机及其控制为了满足电动车驱动系统性能和现有电机控制技术的需要，目前国外电动车实际应用的电机主要有交流永磁同步电机和开关磁阻电机。以交流同步电机和无刷直流电机为代表的交流永磁电动机具有低重量、低损耗、高效率、高能量密度、高可靠性和免维修等优点，使得交流永磁电动机在电动车中得到了广泛应用。然而传统的交流电机控制方法如变压变频(VVVF)并不能满足电动车进一步改进性能的要求。一个主要原因就是直交轴互相作用的非线性动态模型。随着微机时代的出现，磁场定向矢量控制(FOC)技术目前已发展成熟，广泛应用于交流电机。尽管开关磁阻电机的原理已经有近百年的历史了，然而它的广泛应用却是最近几年的事。开关磁阻电机结构紧密、坚固、效率高，低速时可提供很大转矩，且驱动器结构简单。它的缺点也很明显，振动大、噪声大、特别是仍需励磁，使得它的效率和能量密度不能和交流永磁电机相提并论。

在过去几年间，随着计算机技术的广泛应用，电力半导体器件向大容量，高可靠性，减小装置体积，节约电能和智能化方向发展。最近出现的电力电子器件主要有门极可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(BJT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘门双极晶体管(IGBT)、MOS 控制晶闸管(MCT)。目前，为了研制更高性能的功率器件，表1 给出了几种功率器件性能参数对比。

应用于电动车的功率器件的选择主要考虑电压、电流、开关频率、功率损耗和动态性能等。在可用的功率器件中，GTO、BJT、MOSFET、IGBT 和MCT都特别适合于电动车。目前，IGBT 由于集中了MOSFET 的高输入阻抗、高开关速度和BJT 的低导通损耗等优点而特别受重视。在不远的将来，具有输入阻抗大，导通电阻低，开关速度快等优点的M C T是一个理想的替代品。

为了实现高能量密度，高效率等要求，功率变换器的发展总是伴随着功率器件的更新。直流斩波器和逆变器广泛用于直流电机和交流电机。除了传统的P W M 逆变器，目前由蓄电池提供能量的变换器一般采用直流谐振逆变器。直流谐振逆变器应用零电压、零电流开关，具有零开关损耗、高能量密度、高效率、低噪声、高可靠性等优点，因而在电动车上有广阔的应用前景。另外，逆变器的另一个重要方面就是开关设计。十几年来，许多P W M 开关控制方法应用于蓄电池供电的逆变器。这些控制可以分成电压控制PWM 和电流控制PWM。而目前电动车驱动装置已大量地使用I G B T ，有的驱动装置同时也可以是充电装置。

3 总结与展望

开发研制电动汽车是汽车工业可持续发展的重要问题之一。交流电机驱动系统是未来电动汽车电气驱动系统的主流。采用新型电力电子器件和微型计算机控制系统以及数字信号处理器，通过软件实现全数字化控制，是电动汽车电气驱动系统发展的主要方向。现代控制理论和智能控制技术的使用使电动汽车电气驱动系统具有高度的智能化、良好的续驶里程和舒适感 。总之，电动汽车由于整机的电气化而具有易于智能化以及操作简单、使用可靠、安全性能好等方面的极大优势，成为当前科学技术研究和开发的前沿课题之一。随着人类对生存环境要求的提高，合理利用能源意识的增强，作为一种清洁和高效率的现代化交通工具，电动汽车将在2 0 世纪得到全面的发展。

电动车用电机驱动目前基本上形成主流，但并不单一，而是呈多样化趋势。各电机驱动系统综合指标各有侧重。各系统在现有的电动车驱动中都有应用。以异步电机和永磁无刷直流电机居多，同时也尝试过永磁同步电机和开关磁阻电机。值得关注的是，永磁无刷直流电机集电力电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等多门学科于一体，体现多学科的综合应用，发展前景十分广阔，在电动车电机中是强有力的竞争者。各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化外，还可大胆尝试从反传统的观念对电机本体包括绕组进行改进，使之更适合于电动车，如转子分割型混合励磁同步电机，槽数多于极数的电机，绕组极数可变的电机、混合电机( 如永磁磁阻同步电机，永磁式开关磁阻电机等) 等多种形态电机。