摘 要：在分析传统的车用电机驱动系统仿真建模方法的缺陷和选取主要考虑因素的基础上，本文研究与开发了基于Simplorer 的车用电机驱动系统仿真平台。按照实际系统建立考虑主功率电路寄生参数的精确车用电机驱动系统电路模型和热模型，包括蓄电池的等效电路子模型、直流侧电容子模型、叠层母排子模型、IGBT 模块电热模型和永磁电机模型，并通过 C 语言编程建立控制策略模型。实验和仿真结果表明，该仿真平台不仅能够评估稳态和瞬态工况下车用控制器各关键器件电应力、热应力和机械应力等参数，而且能够针对电动汽车应用，考察电机驱动系统各部件之间的相互影响，实现 IGBT模块精确快速的电热仿真，指导车用电机驱动系统设计从而实现系统的高功率密度和高可靠性。

　　关键词：电动汽车，寄生参数，IGBT，Simplorer

　　1.引言

　　车用电机驱动系统时常处于复杂的电磁环境、较高的温度冲击和机械冲击下，内部器件易产生长时耗损失效(疲劳损坏)和瞬时永久失效。国内外相关文献[4,5]研究表明系统失效主要发生在其内部关键部件上，例如 IGBT 开关器件、母线支撑电容、控制电路等。其中 IGBT 模块在实际运行时存在过压，过流等故障 [6,7]。当流经 IGBT 的电流值超过本身所能承受的最大值时，由于器件的温度限制，IGBT 易发生过流损坏;由于线路寄生电感和负载电流波动的影响，IGBT 关断时 Ldi/dt 变化很大， 当瞬间电压超过器件的最大可重复电压时，IGBT 易发生过压损坏。 因此建立考虑控制器主功率电路主要寄生参数的精确车用电机驱动系统电路模型和热模型对于电机驱动系统设计和可靠性评估至关重要[1,2]。

　　传统的电力电子仿真软件如 PSPICE 主要用于电路仿真，并不能有效分析寄生电感、系统连接方式、封装散热结构和控制策略等因素对系统特性的影响。Ansys 公司的 Simplorer 软件是一个多物理域的高性能系统仿真软件，用于对涉及电、磁、热和机械在内的复杂多域系统进行高精度建模、仿真和优化。而车用电机驱动系统是一个多物理域耦合的复杂系统[8,9]，需要利用多物理域集成仿真平台研究稳态和瞬态工况下系统各关键器件电应力、 热应力和机械应力等参数。因此本文以车用电机驱动系统为研究对象，基于Simplorer建立考虑主功率电路主要寄生参数的精确车用电机驱动系统电路模型和热模型，以分析车用电机驱动系统的电气特性和热特性，为设计提出指导，提高系统的功率密度和可靠性。

　　2.电机驱动系统建模

　　2.1 驱动系统主回路基本结构

　　车用电机驱动系统多采用典型的三相桥式电压型逆变电路，主要包括蓄电池组、直流侧电容、叠层母线排、IGBT 模块和电机负载。图 1 为一个考虑到寄生参数的驱动系统功率主回路电路图。在电动汽车中，蓄电池组是控制器的直流电源。直流侧电容是控制器中直流侧(蓄电池组)和交流侧(交流电机)之间的负载平衡储能元件，起着为电机(感性)负载提供无功功率，稳定直流电压的作用。

　　为详细分析控制器主功率电路的动态特性，在Simplorer环境下建立带寄生参数的控制器主功率电路仿真模型，如图 2 所示。

　　2.2 控制器主功率电路模型

　　由图 2 可以看出，控制器主功率电路模型主要包括 4 个子模型，分别为蓄电池组子模型、直流侧电容子模型、叠层母排子模型和三相全桥 IGBT 模块子模型。蓄电池组采用考虑到电池暂态特性的等效电路模型[11]。直流侧电容采用 LCR 高频等效电路模型，通过 LCR 测试仪抽取其精确参数值。叠层母排模型的建立比较困难，主要原因是其参数量级很小(nH) ，并且受工作温度、开关频率等因素影响较大，实验测试很难获得其准确参数。而MAXWELL Q3D 是一种考虑材料属性和机械结构， 采用有限元方法计算母排寄生参数[12]的专业软件。 本文利用该软件设计母排结构，分析以上参数和母排寄生电感的关系， 并生成与 Simplorer 软件兼容等效电路模型。

　　IGBT 功率模块作为控制器的核心部件， 其模型参数的准确性直接影响整个主功率电路的仿真精度。IGBT 模块是一个热电耦合系统， 电气和热性能相互影响。建立 IGBT 模块的热电模型至关重要。本文功率模块采用 Infineon 的 FF1200R17KE3 IGBT 模块， 模型采用基于 Simplorer 的 Characterize Device 功能实现，通过模块厂商提供的数据和实验波形抽取模型的参数[3]，建立 IGBT 模块的热电模型如图 3 所示，图中标识 1 表示 IGBT 的电气模型， 标识 2 表示 IGBT 热网络模型，T2、D2 分别为 IGBT 和 Diode 电气模型与热模型的数据接口。仿真时，电气模型和热网络模型通过该数据接口实现实时的数据传递和交换。

　　2.3 控制策略模型

　　该电机驱动系统采用基于转子磁场定向的矢量控制策略。借助于 Simplorer 的 C-model editor 工具，可以方便的采用 C/C++语言实现 SVPWM 调制策略，如图 4 所示。

　　利用该方法，对已有的 C 语言算法，进行一定修改，即可实现代码的快速移植。利用模型编辑器强大的建模功能，可以实现不同控制策略的建模，构建模型库。

　　2.4 永磁电机模型

　　仿真中，负载电机可以采用三种方式实现：简化的 R 、L 模型、电机等效电路模型和基于有限元场分析的 Maxwell 电机模型。 利用 Simplorer 提供的软件接口，可以实现 Maxwell 和 Simplorer 的联合仿真，用于研究电机瞬态工况对车用控制器各关键器件电应力、热应力和机械应力等参数的影响，大大提高了系统仿真的精度。本文仿真中采用电机等效电路模型。

　　3.仿真结果分析

　　3.1 IGBT 模块动静态特性仿真

　　对Infineon的FF1200R17KE3 IGBT模型进行仿真验证，不同温度条件下的静态特性的仿真结果与器件datasheet 比较如图 5 所示。动态特性采用阻感性负载实验验证，测试条件为Vce=75V，采用蓄电池供电，负载为 1 欧电阻和电感

　　0.45mH， 开关频率 10KHZ， 驱动电源电压 Vge=±15V，驱动电阻 Rg=1.2 欧。 仿真和实验波形如图 6 和图 7 所示。比较开通电流过冲，关断电压过冲、开关时间等关键参数，结果表明仿真和实验波形一致度良好。通过对电压和电流的乘积积分，计算开关损耗 Eon 及Eoff，仿真和实验的最大误差小于 10%。上述结果表明 IGBT 模块模型，IGBT 驱动电路模型，电气互联寄生参数模型，直流支撑电容模型具有良好的精度。

　　3.2 IGBT 模块稳态与暂态热仿真

　　对 IGBT 热网络模型进行仿真验证， 并与 FEM 热仿真进行对比。图 8 是恒定平均功率热源下模块各层的稳态热响应曲线，图 9 是频率 1kHz、占空比 1%热源下 IGBT 芯片温度暂态响应曲线，由仿真对比结果可知，仿真和 FEM 计算结果一致度良好。采用热阻等效电路，既可以获得准确的热响应，同时比 FEM 方法节约了时间，便于系统仿真应用。

　　4.结论

　　本文在 Simplorer 环境下建立考虑了主功率电路寄生参数的精确车用电机驱动系统电路模型和热模型，并通过 C 语言编写控制策略模型。综合考虑了车用电机驱动系统部件建模，控制系统建模，系统结构、封装、散热等问题。通过器件数据手册和实验相结合的方法抽取各部件模型的参数，从而仿真分析主功率电路的暂态过程以及 IGBT 模块的电热特性。仿真和实验表明直流电容高频模型，IGBT 模块电热模型， 叠层母排模型具有良好的精度，适用于分析不同工况下各关键器件电应力、热应力和机械应力等参数，优化车用电机驱动系统结构设计，实现车用电机驱动系统的高功率密度和高可靠性。

　　参考文献

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　　Vol. 1.

　　作者简介：

　　柳丹，女，1988 年出生，硕士研究生在读，研究方向为电力电子及电力传动。

　　刘钧，男，1977 年出生，高级工程师，研究方向为电动汽车用电机驱动系统研发，电力电子集成。