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高级逆变器模型

1. 概述

随着新能源汽车的蓬勃发展，人们对新能源电动汽车提出了越来越多的需求，作为新能源电动汽车非常重要的组成部分，电机的性能遭到了极大的挑战。如何让电机响应更快、动力性更好、效率更高，如何能够快速开发高性能的电机总成，满足客户需求，在激烈的市场中占据自己的一席之地，已经成为了各大电机、电机控制器厂商亟待解决的问题。恒润科技作为本土高科技企业，一直致力于电机hil （hardware in the loop）测试设备的研发，将助力电机、电机控制器厂商快速开发高性能产品，满足市场需求。

2. 测试需求

电机hil测试设备主要是针对电机控制器进行测试，具备安全、快速、可重复性强等优点，能够对电机控制器的各项功能进行快速测试。电机hil测试设备核心部分主要由硬件和模型组成，硬件用于和电机控制器硬件构成电气回路，模型主要包括逆变器模型和电机本体模型，用于和电机控制器的控制算法构成逻辑回路，硬件和模型的联合给电机控制器提供了一个完善的仿真测试平台。文章主要针对电机hil测试设备中逆变器模型进行详细介绍。

3. 逆变器建模

逆变器的作用是将直流母线电压调制为交流电压，交流电压产生旋转磁场，带动永磁铁转子（永磁同步电机）或者转子线圈（交流异步电机）转动，根据调制的方法不同分为spwm、sapwm、svpwm等。本文不对调制方法进行展开，主要集中于单个igbt和二极管的仿真建模，研究igbt或者二极管在打开关闭时电压电流的变化过程。

逆变器一般有两种建模方法，一种方法是把igbt和二极管当做理想的开关，开关打开时，开关两端完全断开，开关闭合时，开关两端相当于导线连接。另一种方法是将igbt或二极管当做可变阻抗，开关打开时，igbt或二极管相当于电容，开关关闭时，igbt或二极管相当于电感。方法一对应理想开关模型，方法二对应本文将重点讲述的高级逆变器模型。

● 理想开关模型
理想开关模型建模方法极其简单，理想开关模型的基本模型单元是一个桥臂，当上桥臂闭合时，中间点电压等于直流母线正极电压，当下桥臂闭合时，中间点电压等于直流母线负极电压，上桥臂和下桥臂必须一个打开另外一个闭合。

该建模方法的优点是算法简单，采用简单查表就行，能从一定层度反应开关对三相电电压的影响，目前很多电机hil测试设备均采用该方法建模，但是该建模方法也存在很多的缺点：
♦    没有针对单个igbt建模，而是针对一个桥臂（两个igbt）的开关状态进行建模，这意味着有些算法如半桥控制没法实现，意味着没法对单个igbt或者二极管进行故障模拟。
♦    没有考虑二极管导通情况，开关的导通由两种可能，igbt导通或者二极管导通，该建模方法只考虑了igbt导通。
      ♦    igbt的打开和关闭需要时间，这也是死区控制需要考虑的时间差，该建模方式中igbt打开和关闭是立刻响应的，不符合igbt响应特性。
      ♦    该建模方法没法直接从电路原理上实现电流的回馈。只能通过负扭矩的方式计算出负电流，从而间接实现能量回收，这和真实系统存在差异。
基于以上原因，恒润开发了高级逆变器模型。

● 高级逆变器模型
高级逆变器模型建模的原理是：将igbt或者二极管当做一个可变阻抗，断开时，igbt或二极管相当于电容，导通时，igbt或二极管相当于电感。如果直接按照这种方式进行建模，在开关打开闭合切换的时候会产生电压电流的不连续，由于逆变器开关频率很快，该建模方式容易导致系统发散。为了解决这个问题，可以将igbt或者二极管当做一个恒流源和一个固定阻抗并联，如图2所示。其中恒流源的大小取决于igbt或者二极管是否导通。阻抗的大小取决于被模拟电容和电感的阻抗。

下面根据一个电阻和igbt串联的电路来演示igbt模型的工作过程。图3是开关打开过程和闭合过程中igbt两端电压电流的变化情况。igbt驱动信号为高电平时，igbt打开，流过igbt的电流逐渐增大，直到等于e/r，同时igbt两端的电压逐渐减小，直到0。igbt驱动信号为低电平时，igbt关闭，流过igbt的电流逐渐减小，直到等于0，同时igbt两端的电压逐渐增大，直到电源电压e。