在電機(jī)的運(yùn)行中，是由電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，建立的一個(gè)具有同步旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，這個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就是常說(shuō)的D-Q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。在該旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，所有電信號(hào)都可以描述為常數(shù)。為了方便電機(jī)矢量控制問(wèn)題的研究，能否由儀器直接得到D-Q變換的結(jié)果呢？

D-Q變換是一種解耦控制方法，它將異步電動(dòng)機(jī)的三相繞組變換為等價(jià)的二相繞組，并且把旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換成正交的靜止坐標(biāo)，即可得到用直流量表示電壓及電流的關(guān)系式。D-Q變換使得各個(gè)控制量可以分別控制，可以消除諧波電壓和不對(duì)稱電壓的影響，由于應(yīng)用了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，容易實(shí)現(xiàn)基波與諧波的分離。由于直流電機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，所以這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單的根本原因。

如果能將交流電機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。

交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時(shí)，產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ws（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。這樣的物理模型繪于下圖中。

旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相等任意對(duì)稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以兩相最為簡(jiǎn)單。圖2中繪出了兩相靜止繞組a和b，它們?cè)诳臻g互差90°，通以時(shí)間上互差90°的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F。

當(dāng)圖1和2的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為圖2的兩相繞組與圖1的三相繞組等效。圖3兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組d 和q，其中分別通以直流電流id和iq，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)F，其位置相對(duì)于繞組來(lái)說(shuō)是固定的。如果讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動(dòng)勢(shì)F自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來(lái)，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖1 和圖2中的磁動(dòng)勢(shì)一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。

圖3 旋轉(zhuǎn)的直流繞組

由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，圖1的三相交流繞組、圖2的兩相交流繞組和圖3中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效?；蛘哒f(shuō)，在三相坐標(biāo)系下的iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的ia、ib和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流id、iq是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。

D-Q坐標(biāo)變換的應(yīng)用

電機(jī)坐標(biāo)變換理論在電氣工程領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，不但在電機(jī)控制及瞬態(tài)分析方面被廣泛應(yīng)用，而且在電力系統(tǒng)故障分析以及電網(wǎng)電能質(zhì)量的檢測(cè)與控制等領(lǐng)域也被采用，電機(jī)坐標(biāo)變換理論的應(yīng)用主要有以下幾方面。

1、電機(jī)控制

2、電機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行分析

3、電機(jī)的故障診斷

測(cè)試方法

D-Q變換在電機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用非常廣泛。只要能準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)子位置和準(zhǔn)確測(cè)量三相信號(hào)的電流，使用高速的FPGA并行實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的算法運(yùn)算，通過(guò)clark變換將相對(duì)定子靜止的三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為相對(duì)定子靜止的兩相坐標(biāo)系，得出對(duì)應(yīng)的變換輸出Iα和Iβ，然后使用park變換，將相對(duì)定子靜止的兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為相對(duì)轉(zhuǎn)子靜止的兩相坐標(biāo)系從而算出ID和IQ。電機(jī)控制過(guò)程是反變換過(guò)程，首先設(shè)定勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，然后變換到相對(duì)定子靜止的兩相，然后變換到相對(duì)定子靜止的三相，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

目前ZLG致遠(yuǎn)電子正計(jì)劃在功率分析儀中實(shí)現(xiàn)此D-Q變換功能，可以為電機(jī)控制提供參考，電機(jī)控制過(guò)程可以通過(guò)對(duì)比設(shè)定的值和功率分析儀測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行電機(jī)控制的研發(fā)設(shè)計(jì)，故障排查，算法優(yōu)化等。

應(yīng)用于電動(dòng)汽車的新型高功率密度IGBT模塊

三菱電機(jī)半導(dǎo)體

純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車市場(chǎng)伴隨著全球環(huán)保意識(shí)的提高而增長(zhǎng)。功率半導(dǎo)體模塊已經(jīng)成為決定電動(dòng)汽車性能的重要組成部分。特別是近年來(lái)，隨著市場(chǎng)的增長(zhǎng)，動(dòng)力系統(tǒng)的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模塊。

為了響應(yīng)汽車市場(chǎng)對(duì)功率模塊的基本要求，如大功率、高可靠性、緊湊性和高效率，被稱為大功率J1系列新型高功率IGBT模塊被開發(fā)出來(lái)。

大功率J1系列IGBT模塊采用6合1內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、直接主端子綁定結(jié)構(gòu)（DLB）、直接冷卻結(jié)構(gòu)、第7代存儲(chǔ)載流子溝道型雙極晶體管硅片技術(shù)（CSTBTTM）和RFC二極管硅片技術(shù)。

這些技術(shù)的最優(yōu)化結(jié)合成功地提高了致力于電動(dòng)汽車應(yīng)用的大功率J1系列IGBT模塊的性能。大功率J1系列模塊的外觀和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其尺寸以及相應(yīng)的額定電流和電壓規(guī)格如表1所示。

封裝技術(shù)

相對(duì)于三菱電機(jī)之前推出的J系列和J1 系列汽車級(jí)IGBT模塊，進(jìn)一步提高電壓電流能力、應(yīng)用于電動(dòng)汽車的帶有散熱鋁柱的大功率J1系列IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

此類新6合1模塊的幾種典型封裝特征包括高可靠的直接主端子綁定結(jié)構(gòu)、緊湊型尺寸、輕重量和大功率處理能力。大功率能力模塊（如650V/1000A和1200V/600A）內(nèi)含的大尺寸的引線和功率端子增大了其封裝尺寸，通常大封裝比小封裝具有更大的自感，而這對(duì)于在高di/dt條件下的大功率應(yīng)用是非常危險(xiǎn)的問(wèn)題。

然而，通過(guò)采用優(yōu)化的內(nèi)部功率引線和硅片布置可以消除P-N端子間的磁通，新開發(fā)的大功率J1系列模塊成功地實(shí)現(xiàn)低自感。圖4給出新開發(fā)的大功率J1系列對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電感仿真結(jié)果。

與更傳統(tǒng)封裝的產(chǎn)品（J系列T-PM）相比，新的大功率模塊的封裝尺寸減少了50%（如圖5所示）。大功率J1系列模塊尺寸減少是優(yōu)化的冷卻鋁柱結(jié)構(gòu)結(jié)合高效的第7代CSTBTTM/RFC二極管硅片技術(shù)的結(jié)果。

除了冷卻鋁柱比冷卻銅柱具有較低的導(dǎo)熱能力外，選擇鋁制冷卻柱對(duì)于EV/HEV應(yīng)用來(lái)說(shuō)是有一些優(yōu)點(diǎn)的，其中，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是直接暴露于冷卻劑下鋁的抗腐蝕能力以及與采用J系列6合1 IGBT模塊的逆變器方案相比時(shí)重量可減少70%（如圖6所示）。

鋁不像銅那樣易受電化學(xué)腐蝕，如果銅柱被使用，就需要用厚的鍍鎳層來(lái)防止被腐蝕。另外，鋁的輕量化有助于減少EV/HEV的電費(fèi)和燃料消耗。

另外，大功率J1系列在導(dǎo)熱路徑上消除了兩層，一層是散熱基板和底板之間的焊接層，另一層是底板和水冷散熱器之間的硅脂層。與傳統(tǒng)的J系列T-PM逆變器方案相比，導(dǎo)熱能力提高了20%（如圖7所示）。同時(shí)，層數(shù)的減少也有助于溫度循環(huán)能力的改善。

圖5、圖6、圖7所示的方案對(duì)比是基于應(yīng)用于三相EV/HEV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的相同電壓/電流等級(jí)的IGBT模塊。

采用最新的硅片技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合水冷散熱器，在如下條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了大功率J1系列650V/1000A IGBT模塊的功率處理能力：

電池電壓=450V，PWM開關(guān)頻率=5kHz/10kHz，冷卻水溫度（Tw）=65℃，冷卻水流速=10L/min，熱阻IGBT-Rth（j-w）取最大值，IGBT特性參數(shù)取典型值。

類似地，大功率J1系列1200V/600A IGBT模塊的實(shí)驗(yàn)條件如下：

電池電壓=600V，PWM開關(guān)頻率=5kHz/10kHz，冷卻水溫度（Tw）=65℃;冷卻水流速=10L/min，熱阻IGBT-Rth（j-w）取最大值，IGBT特性參數(shù)取典型值。

在這些應(yīng)用條件下，650V/1000A模塊在其最高運(yùn)行結(jié)溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過(guò)600Arms（相應(yīng)逆變器輸出功率可超過(guò)120kW）。而1200V/600A模塊在其最高運(yùn)行結(jié)溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過(guò)400Arms（相應(yīng)逆變器輸出功率可超過(guò)120kW）。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

如此有吸引力的良好結(jié)果是通過(guò)采用最新的第7代CSTBTTM和RFC二極管硅片技術(shù)而得到的。

IGBT技術(shù)的進(jìn)步一直受到對(duì)更高功率密度和更高效率的持續(xù)需求的驅(qū)動(dòng)，這反映在通過(guò)采用改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到優(yōu)化眾所周知的飽和壓降VCE（sat）vs. 關(guān)斷損耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的進(jìn)步上。

通過(guò)在IGBT硅片結(jié)構(gòu)上增加額外的載流子層，CSTBTTM硅片能通過(guò)同時(shí)減少飽和壓降和關(guān)斷損耗來(lái)達(dá)到更高的效率。

第7代IGBT 硅片進(jìn)一步優(yōu)化CSTBTTM的飽和壓降VCE（sat） vs.關(guān)斷損耗Eoff折衷性能，如圖10所示，它歸納了新一代IGBT硅片性能的持續(xù)改進(jìn)。考慮到J1系列創(chuàng)新型封裝設(shè)計(jì)導(dǎo)致的超緊湊性（功率模塊體積小于0.68升），通過(guò)采用第7代IGBT硅片來(lái)實(shí)現(xiàn)超高功率密度是顯而易見的。

結(jié)論

已開發(fā)的新型高功率密度IGBT模塊“大功率J1系列”被用來(lái)滿足逐步發(fā)展的電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車市場(chǎng)要求。

大功率J1系列IGBT模塊做到了性能高、自感低、封裝緊湊和重量輕，這些有吸引力的特點(diǎn)是通過(guò)結(jié)合優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)技術(shù)和最先進(jìn)的硅片技術(shù)（第7代CSTBTTM 和RFC二極管）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

總而言之，大功率J1系列IGBT模塊能實(shí)現(xiàn)寛范圍逆變器運(yùn)行，從而滿足不同種類的電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車的應(yīng)用要求。

審核編輯 ：李倩