ISG逆变器主电路设计

ISG 逆变器系统的总体结构如图2。整个逆变器系统主要包括功率主电路、控制电路和辅助电源三个部分。

图 2 逆变器系统结构框图
2.1 功率开关器件选型
本文所研制逆变器基于42V 的汽车电气系统， 逆变器交流侧的输出电流额定值为100Arms，对于这种低压大电流的应用场合，MOSFET 是非常合适的选择。MOSFET 相对于IGBT 而言，具有更小的导通电阻，因而导通损耗也就更小，能得到更大的变换器效率，这对于对体积和效率要求很高的汽车用ISG 逆变器而言，是个很大的优点。并且，MOSFET 的导通电阻具有正的温度系数，这使得MOSFET非常适于并联，不但可以得到更大的电流等级，而且还可以得到更小的导通电阻，进一步减小导通损耗。所以，本文选择MOSFET 做为主电路的功率开关器件。如上所述，在一个42V 的汽车电气系统中，

由功率半导体器件开关引起的电压尖峰典型值在75V 到100V 之间，所以功率器件的阻断电压Vdss 必须高于这个区间，并且考虑到下一阶段关于Z 源逆变器的研究，直流侧的电压将有一定的提升，所以，取MOSFET 的Vdss 为150V。交流侧的输出电流额定值为100Arms，考虑到ISG 起动时需要的大电流（本设计中为200A ） 及MOSFET 安全工作区和结温对MOSFET 过流能力的影响，取MOSFET 的电流等级为300A。为了充分利用MOSFET 的导通电阻具有正温度系数适于并联的特点，考虑采用MOSFET 并联，这样可以减小导通电阻，减少导通损耗，提高变换器效率。不仅如此，在这一应用中，采用单一的大尺寸MOSFET 成本较高，采用小尺寸MOSFET 并联可以降低成本，对价格很敏感的汽车工业而言是非常重要的。进一步考虑到逆变器系统总体结构设计的需要和将来功率的扩展，本文用6 个小功率的MOSFET 并联做为三相逆变桥的半个桥臂，这样，每个MOSFET 的电流等级选为50A 即可。经过对国内外主要半导体器件供应商产品的综合分析比较， 选定RENESAS 公司的FS50MS-3。

2.2 直流侧电容选型
主电容除了稳压外，还在蓄电池和逆变器之间起去藕的作用，为电机感性负载提供必要的无功功率。在ISG 逆变器这种电流较大、环境温度较高而体积又要求小的应用中，直流电容需要有较小的等效串联电阻（ESR）和电感（ESL），高纹波电流能力以及紧凑的体积。因直流电容起储能的作用，所以电容的容量必须比较大，按40μF /A 进行初选。直流侧电流为：

所以主电容容量在5300μF 左右。为了减小电
容的ESR 和ESL，除了选用低ESR 和ESL 的电容外，考虑用小容量电容并联来得到大容量的电容，并且小容量的电容体积小，对于空间的利用非常有利，可使结构更加紧凑。本文在每一对上下桥臂MOSFET 的两端都并联一个小容量的电解电容，这样的话，每相桥臂并联6 个电解电容，三相共18 个电解电容。5300μF电容分为18 个小容量的电容，则每个电容的容量约为295μF，考虑到实际电容的规格并留一定的裕量，选取470μF 的电解电容，则18 个电容的容量为8460μF。电压等级选与150VMOSFET 相当等级的160V。

2.3 缓冲电路设计
缓冲电路也称为吸收电路，在电力电子器件的应用中起着重要的作用。功率器件在开通时流过很大的电流，在关断时承受很大的电压；尤其在开关转换瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路， 可大大缓减器件在电路中承受的各种应力，设计合理的吸收电路还能降低器件的开关损耗、避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。
目前常见的逆变器桥臂缓冲电路有如下三种：
图3 A 所示缓冲电路直接在一个桥臂上下两个功率器件旁并联一个电容，这种缓冲电路适用于中小功率场合，对抑制瞬变电压非常有效且结构简单、成本较低。

图3 常见逆变器桥臂缓冲电路拓扑结构
而图3 B、C 缓冲电路适用于功率较大的场合，由于二极管的钳位作用，可抑制吸收电容和母线寄生电感之间的振荡，但结构相对复杂些。基于本文所设计的逆变器的功率等级，综合考虑装置的成本及设计的简易性，本文采用了图3A所示的缓冲电路。

混合动力汽车42V电源系统ISG逆变器研究