新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修 課件 5.2電機(jī)控制器性能檢測(cè)

電機(jī)控制器性能檢測(cè)教學(xué)目標(biāo)1.掌握驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器IGBT模塊的功用;2.掌握驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器IGBT模塊的工作原理;3.掌握驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器IGBT模塊的檢測(cè)方法。重點(diǎn)：IGBT的工作原理。難點(diǎn)：IGBT的工作原理。一任務(wù)描述二任務(wù)分析三信息收集四制定方案五任務(wù)實(shí)施六總結(jié)評(píng)價(jià)教學(xué)流程一、任務(wù)描述電動(dòng)汽車電機(jī)控制器逆變模塊中的IGBT，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出控制的核心部件。你知道為什么逆變模塊能實(shí)現(xiàn)直流電與交流電的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸出控制的嗎？讓我們一塊來學(xué)習(xí)吧！二、任務(wù)分析1.什么叫IGBT？2.IGBT如何工作？一、認(rèn)識(shí)IGBTIGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）：絕緣柵雙極型晶體管開關(guān)。是新能源汽車電機(jī)控制器中逆變器的核心部件。它是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)電路的非通即斷。該開關(guān)是一種功率半導(dǎo)體器件，由BJT（雙極型晶體管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）組成。具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。三、收集信息一、認(rèn)識(shí)IGBT功率開關(guān)器件分為三種。分別是不可控型器件——二極管、半控型器件——晶閘管、全控型器件——IGBT。IGBT模塊指的是由IGBT芯片和FWD（二極管芯片）通過特定的電路封裝而成的模塊。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的逆變器又稱智能功率模塊IPM，是以IGBT模塊為核心，輔以驅(qū)動(dòng)集成電路、主控集成電路來完成逆變工作。將電源的直流電轉(zhuǎn)換成振幅、頻率可調(diào)的三相交流電的過程就是逆變。三、收集信息二、IGBT的結(jié)構(gòu)原理IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，上方N+區(qū)域稱為源區(qū)，對(duì)應(yīng)的電極稱為源極，即圖中的發(fā)射極E。P+區(qū)域稱為漏區(qū)，對(duì)應(yīng)電極為漏極，即圖中的集電極C。IGBT的控制腳為柵極，即圖中門極G。IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)IGBT電路符號(hào)三、收集信息左圖為IGBT等效電路，IGBT在電路中是一個(gè)可以耐高電壓、過大電流的開關(guān)，在IGBT的三個(gè)電極當(dāng)中，將集電極和發(fā)射極連接在需要控制的主電源通路當(dāng)中，門極連接控制模塊輸出腳。當(dāng)控制單元輸出高電平信號(hào)，門極上便加載了驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)集電極和發(fā)射極之間就處于導(dǎo)通狀態(tài)，主電源通路接通。當(dāng)控制單元輸出低電平信號(hào)，加載在門極上的驅(qū)動(dòng)電壓為0V，此時(shí)集電極與發(fā)射極之間處于截止?fàn)顟B(tài)，主電源通路斷開。如右圖所示。IGBT等效電路IGBT開關(guān)控制原理三、收集信息三、IGBT在電機(jī)控制器中的應(yīng)用原理1、逆變器的基本原理MCU中的逆變器接收來自動(dòng)力電池組的直流電，將其逆變成三相正弦交流電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相繞組提供電能，如圖所示，進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。直流電轉(zhuǎn)正弦交流電三、收集信息如下圖所示，正弦波和方波都是具有正負(fù)半波的交流脈沖信號(hào)，它們的特點(diǎn)都是平均值為0的連續(xù)脈沖信號(hào)。而方波其實(shí)是正弦波的高度近似信號(hào)，實(shí)際上傳統(tǒng)的逆變器都是產(chǎn)生方波作為輸出控制的。方波和正弦波的特點(diǎn)三、收集信息方波的產(chǎn)生原理如下圖所示。該全橋逆變電路中有一個(gè)輸入電壓、一個(gè)負(fù)載（用線圈代替）和四個(gè)開關(guān)S1—S4。當(dāng)開關(guān)S1和S4閉合，開關(guān)S2和S3斷開時(shí)，電流流過負(fù)載線圈的方向如圖中A所示，此時(shí)產(chǎn)生正半波的方波脈沖信號(hào)。當(dāng)開關(guān)S2和S3閉合，開關(guān)S1和S4斷開時(shí)，如圖中B所示，電流流經(jīng)負(fù)載線圈方向相反，此時(shí)產(chǎn)生負(fù)半波的方波脈沖信號(hào)。這就是方波交流信號(hào)產(chǎn)生的基本原理。全橋逆變電路基本原理示意圖三、收集信息對(duì)于家用交流用電設(shè)備來說，交流電的輸出頻率是50Hz。這就相當(dāng)于開關(guān)每秒需要通斷100次，無論是手動(dòng)還是機(jī)械操作都是難以實(shí)現(xiàn)的。為了使近似的正弦波形更為平滑，車用MCU中的逆變器對(duì)開關(guān)通斷頻率的控制要求更高，為此，我們引入了可控的大功率半導(dǎo)體晶體管器件，如IGBT。IGBT每秒可開關(guān)上萬次，接入控制信號(hào)后可以很方便地控制電路的通斷，塑造正弦交流電輸出的波形。三、收集信息如圖所示為電機(jī)控制器逆變器模塊，逆變器內(nèi)部電路由6個(gè)IGBT組成，分別為VD1—VD6。其中與正極母線連接的3個(gè)IGBT為上橋臂，與負(fù)極母線連接的3個(gè)IGBT為下橋臂。電機(jī)三相繞組每相輸出端分別與其中一個(gè)IGBT連接。逆變器IGBT內(nèi)部連接示意圖三、收集信息如下圖所示，逆變器的6個(gè)IGBT按照VD1—VD6的順序依次間隔60°導(dǎo)通或斷開。電機(jī)每相繞組通電工作需要導(dǎo)通上下橋各一個(gè)IGBT。正是由于6個(gè)IGBT相互間隔60°交替導(dǎo)通與斷開，使得進(jìn)入到每相繞組的電流方向得以發(fā)生改變，產(chǎn)生三組互隔120°相位角的正弦交流電。逆變器中IGBT工作時(shí)序圖三、收集信息因而第一相Ua上橋臂的IGBT導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時(shí)刻間隔120°后，即為第二相Ub上橋臂IGBT導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時(shí)刻，第二相Ub上橋臂的IGBT導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時(shí)刻間隔120°后，即為第三相Uc上橋臂IGBT導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時(shí)刻。產(chǎn)生的三相正弦交流電周期為360°。由于輸入到電機(jī)三相繞組的交流電大小和方向周期性變化，故產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)外做功，實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成交流電的目的。逆變器中IGBT工作時(shí)序圖三、收集信息3、MCU變頻調(diào)速基本工作原理1）頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩大小是通過控制電流大小完成的，而轉(zhuǎn)速變化通常是通過改變進(jìn)入定子繞組交流電的頻率實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于交流同步電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速是一致的。根據(jù)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速公式n0=60f1/P可以得知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0決定于電流頻率f1和磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P。對(duì)于一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，極對(duì)數(shù)P通常是一定的，所以通過改變電流頻率f1，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。如圖所示。改變電流大小改變電流頻率三、收集信息

2）PWM占空比控制在MCU的逆變器中采用6大功率晶體管元件（如GTR、IGBT）構(gòu)成主回路，由控制單元控制的基極驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM，使6個(gè)IGBT間隔60°順序?qū)?，在U、V、W三相輸出端產(chǎn)生由矩形波構(gòu)成的近似正弦波。輸出的交流電頻率取決于IGBT基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM占空比調(diào)制。PWM（PulseWidthModulation）占空比控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。如下圖所示，維持周期TS不變，改變導(dǎo)通時(shí)間Ton。功率開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間Ton占整個(gè)開關(guān)周期TS之比即定義為占空比（Dutyration），用D表示，則D=Ton/TS。脈沖寬度調(diào)制（PWM）由于D值總是小于或等于1，故輸出電壓總是小于或等于輸入電壓。因此改變占空比D就可以改變輸出電壓平均值的大小。三、收集信息3）變頻調(diào)速原理由以上知識(shí)我們可以得知，輸入到驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相繞組的三相交流電是由PWM占空比信號(hào)控制輸出的等效波形，它是由一系列等幅不等寬的脈沖方波組合來代替正弦波形。這里涉及到一個(gè)PWM重要的控制理論，即面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積，效果相同指該P(yáng)WM信號(hào)輸出產(chǎn)生的等效波形基本相同。三、收集信息如下圖a所示，將一個(gè)正弦半波波形分解為若干個(gè)周期相等，幅值不等的脈沖波形。再用圖b中的矩形脈沖波形代替。圖b中的矩形方波幅值不變，兩圖脈沖序列的時(shí)間寬度T一致，波形中線重合，且對(duì)應(yīng)的面積（沖量）相等。則根據(jù)面積等效原理，圖b中的PWM波等效于圖a中的正弦半波。這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波稱為SPWM波。等效正弦波形的幅值改變需要按同一比例改變PWM信號(hào)的脈沖寬度（占空比）。故，不同頻率的等效正弦波形輸出取決于SPWM波形的脈寬調(diào)制。用PWM波形代替正弦半波三、收集信息如下圖所示，通過脈寬調(diào)制技術(shù)塑造正弦波形，實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的性能需求，由控制器產(chǎn)生一系列不同脈沖寬度的直流脈沖，正弦波形幅值大的時(shí)刻，直流脈沖寬度也越大，即占空比D越大。正弦波形的形成三、收集信息將上圖中的直流脈沖信號(hào)等分成若干相同的時(shí)間寬度后可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)相同時(shí)間寬度的占空比不同，正弦波形實(shí)質(zhì)上是由該時(shí)間寬度下的直流脈沖平均值所構(gòu)成的方波組合波形，如下圖所示。三、收集信息MCU中的IPM控制模塊需要控制直流脈沖輸出的時(shí)間寬度，直流脈沖輸出的時(shí)間寬度越小，被處理后的波形就越接近于正弦波，如下圖所示。直流脈沖方波組合輸出波形三、收集信息如下圖所示，開關(guān)元件的通斷能力必須達(dá)到控制要求。要使得產(chǎn)生的波形更為平滑，逆變器中采用了電感和電容進(jìn)行濾波。其中電感用來平滑電流曲線，電容用來平滑電壓曲線。近似正弦交流電波形示意圖三、收集信息因此，IGBT導(dǎo)通頻率的改變，可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。又因?yàn)檎伎毡菵的變化，導(dǎo)致輸出電壓的有效值也在變化。通常驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率是不變的，這就要求輸出電壓不能隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，必須保持穩(wěn)定。此時(shí)MCU通過監(jiān)控電壓傳感器及電流傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電機(jī)實(shí)際功率，并通過可變電壓控制系統(tǒng)調(diào)整輸出電壓?？勺冸妷嚎刂葡到y(tǒng)通常由電感器、電容器和全控型大功率半導(dǎo)體開關(guān)為主，輔以溫度、過流、過壓監(jiān)控等功能的IPM模塊構(gòu)成。三、收集信息四、制定方案

分組查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)晶閘管、IGBT管的工作原理，檢測(cè)晶閘管、IGBT管，制作晶閘管電路，驗(yàn)證工作特性，并制訂其任務(wù)方案。五、任務(wù)實(shí)施（1）檢測(cè)判斷晶閘管、IGBT管的極性。名稱極性判斷好壞判斷檢測(cè)情況晶閘管

用數(shù)字萬用表蜂鳴檔兩兩間檢測(cè)，導(dǎo)通時(shí)，紅表筆的一端為門極G，黑表筆的一端為陰極K。剩下的一端則為陽極A。用數(shù)字萬用表蜂鳴檔檢測(cè)，紅表筆接陽極A，黑表筆接陰極K，止時(shí)不導(dǎo)通；在門極G加觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)導(dǎo)通，表示是好的。極性判斷：

是

否

好壞判斷：

是

否五、任務(wù)實(shí)施（1）檢測(cè)判斷晶閘管、IGBT管的極性。名稱極性判斷好壞判斷檢測(cè)情況IGBT管

采用數(shù)字萬用表的電阻擋，兩兩間檢測(cè)，如果某一腳與其他兩個(gè)腳之間的電阻值均為無窮大，對(duì)換表筆再測(cè)量仍是無窮大，則該引腳為柵極G。剩下的兩引腳進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的電阻值較小時(shí)，紅表筆的引腳為集電極E，黑表筆的引腳為發(fā)射極C。用數(shù)字萬用表的電阻檔，黑表筆接集電極E,紅表筆接的發(fā)射極C，此時(shí)為無窮大。

同時(shí)，柵極G接電源正極和集電極C接電源負(fù)極，這時(shí)IGBT