ISG逆變器主電路設計

ISG 逆變器系統的總體結構如圖2。整個逆變器系統主要包括功率主電路、控制電路和輔助電源三個部分。

圖 2 逆變器系統結構框圖
2.1 功率開關器件選型
本文所研制逆變器基于42V 的汽車電氣系統， 逆變器交流側的輸出電流額定值為100Arms，對于這種低壓大電流的應用場合，MOSFET 是非常合適的選擇。MOSFET 相對于IGBT 而言，具有更小的導通電阻，因而導通損耗也就更小，能得到更大的變換器效率，這對于對體積和效率要求很高的汽車用ISG 逆變器而言，是個很大的優點。并且，MOSFET 的導通電阻具有正的溫度系數，這使得MOSFET非常適于并聯，不但可以得到更大的電流等級，而且還可以得到更小的導通電阻，進一步減小導通損耗。所以，本文選擇MOSFET 做為主電路的功率開關器件。如上所述，在一個42V 的汽車電氣系統中，

由功率半導體器件開關引起的電壓尖峰典型值在75V 到100V 之間，所以功率器件的阻斷電壓Vdss 必須高于這個區間，并且考慮到下一階段關于Z 源逆變器的研究，直流側的電壓將有一定的提升，所以，取MOSFET 的Vdss 為150V。交流側的輸出電流額定值為100Arms，考慮到ISG 起動時需要的大電流（本設計中為200A ） 及MOSFET 安全工作區和結溫對MOSFET 過流能力的影響，取MOSFET 的電流等級為300A。為了充分利用MOSFET 的導通電阻具有正溫度系數適于并聯的特點，考慮采用MOSFET 并聯，這樣可以減小導通電阻，減少導通損耗，提高變換器效率。不僅如此，在這一應用中，采用單一的大尺寸MOSFET 成本較高，采用小尺寸MOSFET 并聯可以降低成本，對價格很敏感的汽車工業而言是非常重要的。進一步考慮到逆變器系統總體結構設計的需要和將來功率的擴展，本文用6 個小功率的MOSFET 并聯做為三相逆變橋的半個橋臂，這樣，每個MOSFET 的電流等級選為50A 即可。經過對國內外主要半導體器件供應商產品的綜合分析比較， 選定RENESAS 公司的FS50MS-3。

2.2 直流側電容選型
主電容除了穩壓外，還在蓄電池和逆變器之間起去藕的作用，為電機感性負載提供必要的無功功率。在ISG 逆變器這種電流較大、環境溫度較高而體積又要求小的應用中，直流電容需要有較小的等效串聯電阻（ESR）和電感（ESL），高紋波電流能力以及緊湊的體積。因直流電容起儲能的作用，所以電容的容量必須比較大，按40μF /A 進行初選。直流側電流為：

所以主電容容量在5300μF 左右。為了減小電
容的ESR 和ESL，除了選用低ESR 和ESL 的電容外，考慮用小容量電容并聯來得到大容量的電容，并且小容量的電容體積小，對于空間的利用非常有利，可使結構更加緊湊。本文在每一對上下橋臂MOSFET 的兩端都并聯一個小容量的電解電容，這樣的話，每相橋臂并聯6 個電解電容，三相共18 個電解電容。5300μF電容分為18 個小容量的電容，則每個電容的容量約為295μF，考慮到實際電容的規格并留一定的裕量，選取470μF 的電解電容，則18 個電容的容量為8460μF。電壓等級選與150VMOSFET 相當等級的160V。

2.3 緩沖電路設計
緩沖電路也稱為吸收電路，在電力電子器件的應用中起著重要的作用。功率器件在開通時流過很大的電流，在關斷時承受很大的電壓；尤其在開關轉換瞬間，電路中各種儲能元件的能量釋放會導致器件經受很大的沖擊，有可能超過器件的安全工作區而導致損壞。附加各種緩沖電路， 可大大緩減器件在電路中承受的各種應力，設計合理的吸收電路還能降低器件的開關損耗、避免器件的二次擊穿和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。
目前常見的逆變器橋臂緩沖電路有如下三種：
圖3 A 所示緩沖電路直接在一個橋臂上下兩個功率器件旁并聯一個電容，這種緩沖電路適用于中小功率場合，對抑制瞬變電壓非常有效且結構簡單、成本較低。

圖3 常見逆變器橋臂緩沖電路拓撲結構
而圖3 B、C 緩沖電路適用于功率較大的場合，由于二極管的鉗位作用，可抑制吸收電容和母線寄生電感之間的振蕩，但結構相對復雜些。基于本文所設計的逆變器的功率等級，綜合考慮裝置的成本及設計的簡易性，本文采用了圖3A所示的緩沖電路。

混合動力汽車42V電源系統ISG逆變器研究