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电动汽车母线不对称并联支路的部分杂散电感建模与测量研究

作者及研究机构
本研究由Chengfei Geng、Fengyou He、Jingwei Zhang和Hongsheng Hu共同完成，他们来自中国矿业大学电气与动力工程学院。该研究于2017年10月1日发表在期刊《Energies》上。

学术背景
随着电动汽车（Electric Vehicles, EVs）的快速发展，提高电动汽车的功率等级成为研究热点。为了实现这一目标，通常采用多功率端子的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块。然而，IGBT模块在开关过程中会产生高di/dt值，导致母线（bus-bar）中的杂散电感（stray inductance）引发瞬态电流不平衡问题，进而产生电磁干扰（EMI），影响控制电路的可靠性。因此，研究母线中不对称并联支路的杂散电感及其对瞬态电流分布的影响具有重要意义。
本研究的背景知识包括：
1. 电动汽车逆变器的高效、高功率密度、低谐波、小体积和低成本需求。
2. 层压母线（laminated bus-bar）因其低杂散电感特性，在电力电子和变流器产品中广泛应用。
3. 杂散电感在开关过程中会导致电压尖峰和电磁干扰，影响系统性能。
本研究的目标是：
1. 从能量存储和释放的角度，首次分析母线不对称并联支路中杂散电感引起的瞬态电流不平衡问题。
2. 建立不对称并联支路的部分自感和互感模型。
3. 提出一种高精度的部分杂散电感测量方法，并通过实验验证模型的准确性。

研究流程
本研究包括以下主要步骤：
1. 问题分析与模型建立
- 研究对象为电动汽车三相逆变器的层压母线，重点关注不对称并联支路的杂散电感。
- 基于部分电感理论，建立了母线不对称并联支路的部分自感和互感模型。
- 通过矩阵计算简化了等效电感电路模型。

1. 实验设计与测量方法

   • 提出了一种基于电感电压积分法的高精度部分杂散电感测量方法。
     
   • 设计了直接测量和间接测量两种实验方法：
     
     • 直接测量：通过测量开关瞬态电压和电流，计算杂散电感。
       
     • 间接测量：使用Rogowski线圈测量瞬态电流变化率，结合仿真值计算等效杂散电感。
       
   • 使用Ansys Q3D软件提取层压母线的部分杂散电感，验证测量方法的准确性。
     

2. 实验平台搭建与数据采集

   • 搭建了逆变器测试平台，使用FF1400R12IP4 IGBT模块、Rogowski线圈、Agilent-10073C电压探头和Agilent-MSO8064A示波器等设备。
     
   • 在开关瞬态（包括开通和关断瞬态）下，采集了母线并联支路的电压和电流波形。
     

3. 数据分析与结果验证

   • 通过多次实验，计算了部分杂散电感的平均值，并与仿真值和计算值进行对比。
     
   • 验证了直接测量和间接测量方法的一致性，证明了所提模型和测量方法的准确性。

主要结果
1. 模型建立与简化
- 建立了不对称并联支路的部分自感和互感模型，并通过矩阵计算简化了等效电感电路模型。
- 仿真值与计算值的差异在1 nH以内，验证了模型的准确性。

1. 实验测量结果

   • 直接测量和间接测量得到的杂散电感值差异在5 nH以内，表明两种方法具有高度一致性。
     
   • 测量值与仿真值和计算值的对比表明，所提模型和测量方法的准确性得到了验证。
     

2. 开关瞬态分析

   • 在开通和关断瞬态下，母线并联支路的电流分布和电压变化得到了详细分析。
     
   • 结果表明，不对称杂散电感会导致瞬态电流不平衡，进而影响系统的电磁兼容性（EMC）性能。

结论与意义
本研究首次从能量存储和释放的角度，深入分析了电动汽车逆变器层压母线中不对称并联支路的杂散电感对瞬态电流分布的影响。通过建立部分自感和互感模型，提出了一种高精度的部分杂散电感测量方法，并通过实验验证了模型和方法的准确性。
本研究的科学价值在于：
1. 为电动汽车逆变器的母线设计提供了理论支持，有助于优化母线结构，降低杂散电感。
2. 提出的测量方法为电力电子系统中的杂散电感测量提供了新的技术手段。
应用价值在于：
1. 提高电动汽车逆变器的功率密度和可靠性，降低电磁干扰。
2. 为电动汽车的电磁兼容性设计提供了重要参考。

研究亮点
1. 首次从能量存储和释放的角度分析母线不对称并联支路的瞬态电流不平衡问题。
2. 提出了一种高精度的部分杂散电感测量方法，具有创新性。
3. 通过仿真、计算和实验相结合的方法，验证了模型和测量方法的准确性。

其他有价值的内容
本研究还指出，未来可以进一步研究不对称杂散电感对逆变器电磁干扰性能的影响，为电动汽车逆变器的组件布局提供指导。

以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。