摘 要：
传统燃油汽车所消耗石油在能源消耗结构中占比过大带来了能源安全、生态环境、气候变化等问题，新能源汽车已成为汽车产业的必然发展趋势。汽车电气化的核心是用电气动力总成取代燃油动力系统，电机控制器是电气动力总成的重要组成部分，决定了整车的动力性能和动力系统的成本。目前，新能源汽车电机控制器普遍采用硅功率器件，由于硅半导体材料本身的限制，依靠硅基功率器件提高新能源汽车电机控制器性能的潜力已十分有限，难以满足当前新能源汽车电机控制器对效率、功率密度和控制精度等性能的要求，迫切需要使用性能更加优异的碳化硅（SiC）功率器件取代硅功率器件进行电机控制器的设计。
本文从提升新能源汽车电机控制器综合性能和提高技术应用可行性的角度出发，采用性能优异、成本便宜的SiCMOSFET分立器件，设计了一款200kW级的新能源汽车电机控制器。论文首先分析了新能源汽车电机控制器研究进展，总结了SiC电机控制器在新能源汽车应用中的优势。然后，利用电路仿真研究了分立式SiC在大功率电机控制器应用中的两个关键难题，探索了不同参数对SiC驱动电路和SiC并联均流的影响，设计了款带快速保护功能的驱动核；在此基础上，根据新能源汽车对效率和功率密度的要求，确定了分立式SiC电机控制器的性能指标，提出了总体结构设计方案，设计了功率电路和控制电路，分析了功率回路的总体损耗，完成了基于SiC分立器件的电机控制器硬件系统设计；开发了基于DSC的永磁同步电机矢量控制算法，设计了基于TITMS320F28335的模块化软件控制程序；最后，搭建了基于分立式SiCMOSFET的电机控制器试验平台，测试了SiC电机控制器的静态性能，对比分析了SiC和Si电机控制器的输出电流波形、控制器效率、电机控制系统效率以及不同功率下的温升。
结果表明，所设计的SiC驱动核驱动效果优异，可有效抑制SiCMOSFET在开关过程中的串扰，短路保护功能快速有效；所设计的分立式SiC器件并联方案具有良好的动静态均流效果；在相同载波频率下输出相同频率的相电流时，SiC电机控制器比SiIGBT电机控制器相电流波形更加平滑，控制精度更高；SiC电机控制器的最大效率达99.3%，控制器效率和电机控制系统效率大于95%的高效区比例比SiIGBT电机控制器提升20%以上；SiC电机控制器工作时的温升更低，工作在峰值功率时散热器水温温升仅9.2℃，而Si IGBT电机控制器工作在峰值功率时，散热器水温温升达25℃。
第三章基于SiC分立器件的电机控制器硬件设计
本文所研究的永磁同步电机控制系统主要针对新能源汽车驱动电机，为了满足新能源汽车驱动控制器功率密度高、工作效率高、控制平稳可靠的应用要求，本章基于分立式SiC MOSFET功率器件，提出驱动控制器的总体设计方案，完成主电路设计及关键器件的选型，分析功率回路各部分损耗，并且对整个控制系统硬件电路进行设计。
3.1驱动控制器总体方案
3.1.1性能指标
新能源汽车SiC电机驱动控制器为电压型三相全桥逆变器，利用功率器件将直流电转换为频率电压可调交流电，根据实际工况对驱动电机的扭矩、转速进行控制，整体工作要求控制平稳可靠，结合SiCMOSFET开关损耗低、耐高压耐高温、抗干扰能力强的性能特性，可以大大提高驱动控制器的运行效率和稳定性。为满足控制器硬件设计要求，本文首先确定了SiC电机控制器的整体设计指标，如表3-1所示。
3.1.2总体结构设计
本文设计的SiC永磁同步电机驱动控制器整体结构原理框图如图3-1所示，整个控制器主要由功率和控制两部分组成。功率部分用于将直流电转换为特定的交流电为永磁同步电机提供能量，主要由三相逆变电路、母线电容、扇热器组成，控制部分以数字信号控制器为核心，实现SiC开关管驱动信号的产生、电流电压信号采样反馈、与上位机进行数据通信、故障诊断保护等功能，负责对永磁同步电动机进行实时控制，控制部分由外部12V供电，经由内部供电电路进行降压得到各个控制模块所需要供电电压。
3.2功率电路设计
功率电路是硬件部分的基础，担负能量传递和变换的作用，决定了整个驱动控制系统的工作效率，因此设计合理的功率电路、选择合适的功率器件，并且根据功率回路损耗选择合适的散热装置是驱动器运行高效可靠的前提。
3.2.1 SiC功率器件选型
目前采用Si基IGBT功率器件的新能源乘用汽车电机驱动控制器电压等级为300V~500V，由于SiCMOSFET相较于IGBT没有电导调制效应且SiCMOSFET分立器件的额定电流较小，因此在相同的功率下，基于分立式SiC的电机控制器更适合提高电压等级、减小电流，从而降低功率传输损耗和整车的线束成本。
根据表3-1所列出的永磁同步电机驱动控制器性能指标，在650V母线电压输入下，输出峰值功率200kW，估算输出电流满足：
考虑逆变器过载能力与过载倍数，取安全系数K为1.4，则逆变器每个桥臂的电流定额为：
3.2.2直流母线电容选型
SiC电机控制器的直流母线电容也叫做直流支撑电容，主要有以下作用：
（1）抑制直流输入的纹波电压波动，平滑母线电压以减小开关管的电压应力；
（2）吸收由于SiCMOSFET高频开关产生的尖峰电压和电机反电动势产生的反向电压尖峰；
（3）防止母线瞬时电压对控制器造成冲击。
在SiC电机控制器应用中，直流母线电容以载波频率f完成充放电过程，开关管导通时母线电容为电机提供能量，开关管关断时直流输入端为母线电容提供能量。
在一个开关周期内母线电容为系统提供的能量为：
考虑电容充放电，在一个开关周期内母线电容释放的能量为：
3.2.3功率回路损耗分析
1、SiC功率器件损耗分析
SiC MOSFET功率器件在工作过程中产生的功率损耗占功率回路总损耗的主要部分，损耗产生的热量需要合适的散热装置导出，避免器件结温过热而失效，对SiC功率器件的损耗进行分析与计算可以指导散热装置的设计选型I68,69。SiC功率器件在电机控制器功率回路中的损耗主要分为动态损耗与静态损耗，其中动态损耗分为开通损耗与关断损耗，静态损耗分为导通损耗与截止损耗。损耗的组成框图如图3-2所示。
SiC MOSFET在截止状态时，断态电阻非常大，漏电流很小，因此截止损耗可以忽略不计。为了建立简化的SiC功率器件损耗计算模型，做出如下假设:
（1）器件结温恒定不变；
（2）忽略开关管和体二极管动作时间。
A.导通损耗分析与计算
B.开关损耗分析与计算
由于体二极管的正向恢复时间很短，因此开通损耗很小，通常可以忽略不计。体二级管的关断损耗近似等于反向恢复损耗，估算公式为：
2）直流母线电容损耗分析
直流母线电容的损耗影响电容器的使用寿命以及控制器的效率，其主要由等效串联 电阻ESR引起，控制器采用的33个并联母线电容的损耗为：
综合以上分析，功率回路的总损耗为：
3.3控制电路设计
新能源汽车驱动电机控制是一个计算复杂、对安全性要求极高的过程，需要实时对控制参数进行采样并进行大量浮点运算，一旦发生异常和故障需要进行快速的反应和处理，因此对主控芯片的采样精度、响应速度、运算能力和性能稳定性要求较高。此外，所选择主控芯片必须有车规级认证、经历过市场的验证，方便开发和版本选代。
控制电路硬件系统主要由主控系统部分、SiCMOSFET驱动电路部分、模拟信号采样部分、转子位置检测解码电路和辅助电路部分等组成，总体框图如图3-1部分所示。
驱动电路部分负责把DSC主控芯片产生的PWM驱动信号进行功率放大成适用于驱动SiCMOSFET的正负电压信号，并且集成了短路保护功能，防止SiCMOSFET产生过热损坏，驱动电路部分在第二章已进行分析，本节不做具体阐述。
3.3.1DSC最小系统电路设计
主控系统以DSC主控芯片为核心搭建最小系统，结合控制软件与其他各硬件模块之间进行数据交换并且控制各模块进行动作执行。综合以上对主控芯片的要求分析，本文所设计的SiC电机控制器主控芯片选用TI公司的DSCC2000系列的TMS320F28335芯片，该芯片外设模块完备，AD采样与转换性能优异，集成度高，广泛应用在新能源汽车电机高性能电机控制系统，其主要特点如下所示：
晶振时钟电路给系统提供了基本的时钟信号，TMS320F28335时钟源可以灵活选用外部振荡器的时钟源或者内部振荡器的时钟源。本文采用内部时钟源设计，将30.0MH晶振连接到X1/X2引脚之间，DSP晶振输入时钟信号引脚之间并联一个1M Ω的贴片电阻给芯片X1、X2引脚内部的反向器加一个反馈回路，保证放大器工作在高增益的线性区，晶振两个引脚各加一个22pF的负载电容接地，以减小晶振回路的谐振阻抗，增加电路的稳定性和频率的稳定性，晶振电路如图3-5所示。
复位电路的作用是在控制板调试过程中出现各种情况需要重新执行程序时，提供复位按键，使程序复位执行。所设计电路如图3-6所示，TMS320F28335的XRSn复位引脚为低电平有效，因此在正常工作情况下，XRSn被上拉到3.3V，当需要复位时，按下按键，该引脚被下拉到地，复位功能生效。
TMS320F28335仿真调试接口（JTAG）满足IEEE1149.1标准，本文所设计的仿真调试接口电路如图3-7所示，用来实现软件程序的烧录以及在线仿真调试功能。仿真调试接口的引脚功能为：TCK为测试时钟输入线，TMS为测试模式选择线，TDI为测试数据输入线，TDO为测试数据输出线，TRSTn为测试复位输入线。
3.3.2模拟量采样电路设计
SiC电机控制系统模拟量的采样主要有两个作用，一是进行实时的闭环控制，二是对功率电路做各种保护，采样电路性能的好坏直接影响到电机控制的精确度与各种保护功能的有效性。本项目中对功率电路的模拟量采样包括：UW相电流采样、母线电压采样、散热器温度采样，
1、相电流采样设计
本文所设计SiC电机控制器功率大，相电流为百安培级，为避免发生故障时功率回路对控制回路造成损坏，采用电流传感器采样，将原边功率回路电流与副边控制回路电压隔离开。
为验证所设计相电流采样调理电路，在LTspice中建立电流采样仿真电路，输入电压Vin设置为以2.5V为基准，幅值0.78125V，频率为50Hz的正弦信号，两级运算放大器的输出电压V1o和Vo波形和输出电压的伯德图如图3-9所示，结果表明电流采样设计满足要求。
2、母线电压采样设计
母线电压采样电路用来实时监测驱动控制器的直流母线输入电压，当母线电压过高、过低或者波动较大时，主控芯片发出指令产生相应的保护动作。由于母线电压采样不需要很高的精度，本文采用电阻采样法进行母线电压采样，该方法设计方便成本低，只需选择功率合适的贴片电阻即可。
母线电压采样电路如图3-10所示，在功率电路中采用两组分压电阻进行分压，差分输入到母线电压采样调理电路中，输入电压Vin与母线电压Vdc的比例为：
母线电压采样调理电路如图3-11所示，电路的输入输出通过隔离放大器进行放大和隔离，电路增益为1，在输出端通过开关二极管1SS226对电压进行限幅，避免其超过TMS320F28335所能承受的电压上限3.3V，然后将采样得到的电压信号送给TMS320F28335进行处理。
3、温度采样设计
为了避免因散热条件不足导致SiC功率器件发生过热失效，本设计在水冷散热器的进出水口位置分别安装了4个NTC采样电阻用来采集水冷散热器的温度，将温度数据通过模数采样送入DSC处理，从而实现过温保护功能。NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻，其特点是体积小、温度变化响应速度快、检测灵敏度与精度高，非常符合本项目的要求。
本设计中选用Vishay公司型号为NTCALUG01A103F161L的NTC电阻，该电阻温度和阻值的对应曲线如图3-12所示，在25℃时，NTC热敏电阻的阻值为10k Ω ；当温度升至在100℃时，热敏电阻的阻值降为974Ω。
为了实时检测散热器温度，需要通过模数转换采样实时读取NTC热敏电阻阻值。热敏电阻采样电路如图3-13所示，R79电阻与热敏电阻进行分压后经过RC滤波输入到TMS320F28335ADC引脚。
3.3.3转子位置解码电路设计
电机转子位置检测有采用霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等方案，霍尔传感器在一个电周期只能采集到6个准确的位置，一般用于小功率的无刷直流电机控制，光电编码器利用计算脉冲个数实现光电转换，可以准确得出转子位置，但是容易受到干扰可靠性较差，不适用于工作环境复杂，对安全性要求极高的新能源汽车应用场合，旋转变压器检测精度高，抗干扰能力强，广泛应用于新能源汽车驱动电机控制。
本文采用旋转变压器方案检测转子位置，以AD2S1205的旋转变压器解码芯片为核心设计转子位置解码电路，该芯片的最大分辨率为12位，最大跟踪速率为1250rps，AD2S1205的外围电路如图3-14所示。
正弦激励输出信号需要通过外部缓冲放大电路进行功率放大后输入旋变变压器原边，适当的放大激励信号电压幅值有利于增强旋变的抗干扰能力。运算放大器选用AD2S1205数据手册中推荐的ADI公司的轨到轨输出、单电源放大器AD8662，该运算放大器具有工作电压范围宽、电流噪声小、输入偏置电流与输入电压低等特性，正弦激励缓冲放大电路如图3-15所示。
运算放大器的后级采用0CL电路以增大激励信号的功率，R180、R181、R182、R183、D7、D8用来设置合适的静态工作点，使Q3、Q4放大管工作在临界导通或微导通状态，以消除交越失真。
位置传感器采用变比为0.286的旋转变压器，旋转变压器输出以1.61V为中心电压，峰峰值为2.63V，频率为10kHz正弦信号，因此正余弦差分输入的峰峰值电压为5.26V。正余弦输入端的电气参数见表3-3，为避免正弦余弦差分输入电压超过所允许最大值，需要在输入AD2S1205之前对电压值进行处理。
偏置电路如图3-16所示，Cos+和Cos-被抬升1.7V，再通过R165、R171和R166、R172分压，最终得到(Cos-CosLO)峰峰值为3V的差分正弦电压输入到AD2S1205。L3为共模滤波器，R165、C111和R166、C122组成低通滤波器，用来滤除旋转变压器正余弦输出的低频噪声。
3.4本章小结
本章首先针对SiC电机控制器的性能指标，提出SiC控制器的总体设计方案，然后进行SiC功率器件和直流母线电容选型，分析功率回路各部分损耗，最后详细阐述控制回路各模块电路的设计。
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