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電動車牽引逆變器和馬達

牽引逆變器和馬達是電動車動力系統的核心。這些子系統內的效率優化能夠直接轉化為更好的續航里程數、性能和車輛成本。

採用 SiC 功率半導體有助於提高效率和更精巧的牽引逆變器。控制相關演算法與馬達結構正在持續優化的過程中,以實現嚴格的效率和成本目標

電動車設計師正在將新的牽引逆變器設計與不同的馬達設計相戶結合以創造出獨特的新型混合動力傳動機構,以滿足電動車的需求。

可重複逆變數測量技術

Block diagram of electric vehicle traction inverter and motor

牽引逆變器和馬達的功能模塊。

牽引逆變器和馬達技術

電動車採用不同類型的電動馬達,但它們都需要將 PWM 電壓訊號施加到馬達定子上,以產生間隔 120° 的三個正弦電流。高壓輸入的調變通常由高壓 IGBT 或 MOSFET 在 20 至 100 kHz 的頻率範圍內切換執行。設計人員努力將切換過程中的能量耗損降至最低,同時保持安全時序。​

柵極驅動器由微控制器 (MCU) 子系統控制並管理切換元件的時序。控制電路必須與高壓部分進行伽凡尼式隔離。

逆變器控制器通常使用 DSP 演算法,如磁場定向控制 (FOC),以精確改變 PWM 輸出。根據驅動器的輸入和馬達目前的速度,逆變器的 MCU 控制轉子直軸 (D) 的極與磁場或交軸 (Q)之間的角度,以提供平滑、最佳化的轉矩。感測器 (如馬達轉子上的編碼器或解角器) 提供轉子角度的反饋。

分析臨界逆變器訊號

脈寬調變和多相電流和電壓波形一直以來對示波器和依賴它們的工程師帶來諸多挑戰。然而,能夠查看和測量這些波形對於優化逆變器的可靠性、穩健性、功率密度和效率至關重要。

6通道和8通道示波器的引入使研究三相系統變得更加容易,但對於逆變器,還需要特殊的測量技術,其中包括:

  • PWM 訊號的觸發相對較困難,因此很難獲得穩定、可重複的測量結果。必須特別注意確保穩定的參考時間。
  • 分析三相系統需要對各個相位以及整個系統進行電壓、電流、角度和功率的測量。相量圖是觀察量級、角度和平衡的理想選擇。

4/5/6 系列示波器上的逆變器、馬達和驅動分析軟體簡化了 PWM 輸出觸發和三相測量的相關設置。相量圖顯示可幫助您視覺化並直觀的瞭解並解決三相系統相關問題。

Oscilloscope measurements on traction inverter outputs

逆變器輸出端的三相電壓、電流和功率測量。


瞭解更多:

進一步了解在示波器上使用相量圖進行三相功率分析

Measuring traction inverter electrical parameters under different motor loads

超過 100 次取樣的功率參數圖,包括 VRMS、IRMS、實功率、相位差、視在功率和虛功率。


瞭解更多:

逆變器、馬達和驅動分析產品規格表

瞭解馬達負載變化時的系統表現

在追求功率密度和效率的過程中,瞭解並分析驅動器和馬達在不同測試條件下的動態性能非常重要,其中包括:

  • 馬達啟動
  • 不同馬達負載
  • 馬達停止

根據測試計劃,測試時間可能從幾秒到幾分鐘不等。具有長記錄長度的示波器在運行期間將存儲所有相關信息,並將結果視覺化為波形和圖表。高速數據的取得讓工程師能夠放大波形的特定區域以查明問題。相比之下,電源分析儀通常支持經校準的三相測量,但無法取得高取樣率數據。

可視向量控制參數,如 DQ0

與開環系統相比,閉環逆變器和馬達系統使用反饋來提供更為優越的速度和轉矩控制。閉環「向量」控制器執行即時計算,將角度和電流反饋轉換為更簡單的變數 (D 和 Q),這些變數可以即時線性縮放。縮放後的 D 和 Q 參數可以進行逆轉換以向用於驅動開關的調變器提供輸入。​

由於這些重要的計算發生在控制器的深處,因此很難研究相對於其他系統參數的 D 和 Q。5/6 系列 B MSO 上的 IMDA 應用程式支援獨特的測量 - DQ0 (直交零),可幫助工程師深入了解控制器。它透過應用帕克和克拉克轉換的組合從逆變器的輸出波形計算 D 和 Q。結果顯示測量數值和帶有合成向量的相量圖。透過結合編碼器角度,工程師可以觀察到與 QEI 指數脈衝一起使用時與轉子磁鐵零點位置對齊的 DQ0 向量。這些可視化工具在馬達實際運行期間提供對控制器性能的獨特視覺化效果。

DQ0 vector control parameters measured on an oscilloscope

DQ0 測量使用輸出波形來計算和顯示控制系統係數。​

Measuring electric vehicle motor torque and speed with an oscilloscope

取樣趨勢和直方圖表示速度變化。霍爾效應感測器是支援的感測器類型之一。

關聯機械與電氣測量

為了解電子和演算法決策的影響,工程師必須能夠了解馬達機械性能與電氣測量的相互關係。馬達的角度、方向、速度、加速度和轉矩是了解系統性能的關鍵。能夠測量牽引逆變器輸入和馬達機械輸出的電器參數,使工程師能夠確定整體系統效率。

速度、方向和角度等機械性測量依賴於須透過測試設備進行解碼和顯示的感測器訊號。許多 BLDC 馬達都配備了內建霍爾效應感測器,可以使用數位或模擬探棒進行存取。其他系統可能依賴於 QEI (正交編碼器介面) 感測器。

轉矩測量可過使用馬達輸出端的專用轉矩感測器進行。轉矩也可以透過對 rms 電流套用比例因數來估測。

感測器訊號能夠透過 Tektronix IMDA 軟體進行解碼,並使 5 和 6 系列 B MSO 示波器能夠顯示速度、加速度、方向、角度和轉矩。

了解寬能隙功率元件集成的影響

改採用 800 V 架構帶來了諸多優勢,例如更低的電纜和電池成本、更低的熱損耗和更高的系統效率。SiC MOSFET 可實現更高的切換電壓和更低的損耗,然而基於矽裝置的傳統測試計畫將不再適用。

寬能隙半導體測試面臨的主要挑戰包括:

  • 高功率的電流和電壓探測
  • 在非常高共模電壓的情況下準確測量高端 MOSFET 上的訊號
  • 透過標準化測試 (如雙脈衝測試) 測量切換損耗

Tektronix 提供使用 SiC MOSFET 的牽引逆變器測試解決方案,其中包括提供示波器、高壓差分探棒、電流探棒、光學隔離探棒、訊號源和精密電源等。

Double pulse testing using a function generator and oscilloscope

雙脈衝測試軟體使用一致的自動測量技術進行 Eon 和 Eoff 測量。


瞭解更多:

了解雙脈衝測試相關的更多詳細資訊

Oscilloscope system for measuring electric vehicle traction inverters

EV 牽引逆變器和馬達參考系統

測試電動車動力系統設計需要有示波器、合適的探棒、訊號來源和測試軟體。此系統可以根據您的應用進行客製化。​

儀器/探棒/選項 數量 說明
MSO58B-BW1000* 1 1 GHz,8 通道示波器
5-PRO-AUTOMOTIVE-3Y 1 汽車解決方案組合,包括逆變器、馬達和驅動軟體分析選項 5-IMDA、5-IMDA-DQ0 和 5-IMDA-MECH 以及適用於汽車串列匯流排之解碼
THDP0200 3 200 MHz,+/-750 V,高壓差動探棒
TCP0030A 3 120 MHz,30 Arms,分離核心 AC/DC 電流探棒
TLP058 1 8 通道邏輯探棒
TEKSCOPE-ULTIMATE 1 支援離線分析的 TekScope 軟體,提供包括 IMDA 分析和全面的串列匯流排支援
TEKDRIVE-STARTER 1 TekDrive 資料儲存訂閱,個人級,年度用戶許可協議

產品

Tektronix AFG31000 function generator

AFG31000

採用 InstaView™ 技術的 AFG31000 系列是高效能函數產生器,內建波形產生應用程式、專利的即時波形監控,以及現代化使用者介面

5 series B MSO - MSO58B

5 系列 B MSO 混合訊號示波器

5 系列 MSO 是一種混合訊號示波器,配備高清晰顯示器與觸控式螢幕、最高 8 個輸入、12 位元類比至數位轉換器,以及最高 2 GHz 的頻寬。

IsoVu 隔離探棒

探棒系統在共模訊號或雜訊出現時進行高解析度量測。

6 Series B MSO Mixed Signal oscilloscope

6B系列 MSO 混合訊號示波器

疑難排解和驗證高速設計,兼顧現在與未來,可升級的頻寬從 1 GHz 起,最高可達 10 GHz。