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1、优点：优点：（1）PMSM起动牵引力大起动牵引力大（2）PMSM本身的功率效率高以及功率因素高；本身的功率效率高以及功率因素高；（3）PMSM直驱系统限制性能好；直驱系统限制性能好；（4）PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简洁、体积小、噪声小；发热小，因此电机冷却系统结构简洁、体积小、噪声小；（5）PMSM允许的过载电流大，牢靠性显著提高；允许的过载电流大，牢靠性显著提高；（6）在高速范围中电机噪声明显降低；）在高速范围中电机噪声明显降低；（7）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；（8）系统接受全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免）系统接受全封
2、闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；润滑油、免维护；（9）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大；位重量的功率大；（10）由于电机接受了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能）由于电机接受了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能10%以上；以上；（11）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。单轴转向架，使列车动力性能大大提高。沟通电输沟通电输入及滤波入及滤波变压器变压器沟通电压沟通电压采样
3、采样沟通电流沟通电流采集采集整流桥及整流桥及PFC电路电路IPM模块模块电机电流电机电流采集采集主控芯片主控芯片返回返回电路图电路图AC_IN_LAC_Cin电源电源热敏电阻热敏电阻压敏电阻压敏电阻放电管放电管热敏电阻热敏电阻作用：电路后有大电作用：电路后有大电容，当电路接通时使得其相当容，当电路接通时使得其相当于短路，会产生极大的电流。于短路，会产生极大的电流。此时热敏电阻阻值增大缓冲电此时热敏电阻阻值增大缓冲电流，当电容正常工作后继电器流，当电容正常工作后继电器向下导通，即短掉热敏电阻向下导通，即短掉热敏电阻压敏电阻压敏电阻相当于一个可相当于一个可变电阻和电容并联（如变电阻和电容并联（如上
4、），电容两侧电压不上），电容两侧电压不能突变，所以可以有效能突变，所以可以有效抑制干路的电压突变。抑制干路的电压突变。它的接入也是行业标准它的接入也是行业标准放电管放电管：当电压过高时，：当电压过高时，相当与短路相当与短路滤波电容和电感：滤掉高频干扰滤波电容和电感：滤掉高频干扰单端反激式单端反激式变压器变压器瞬态抑制二极管使两极间的电压箝位于一个预定值，疼惜线路器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。CE7,L5滤波防止输出脉动过大精密可调基准电源及阻容网络荣国R83 R84得到采样电压，与其自身的2.5V基准电压比较。若输出电压分压高于基准电压时，其阴极电位下降，作用于光耦，光耦副边电流增大当内部电阻
5、R2接收到检测电流Is及反馈电流IFB后,2上的电压与内部0.23V的电压基准进行比较。高出时,过流比较器会输出一个停止工作信号给RS触发器以关断MOS管相反，当VIPer22A的反馈限制脚失馈时,即:IFB为0时,VIPer22A将满负荷工作。CE5充电以在须要时供应反馈电流总结：从而比较器输出端的PWM信号对MOS管的开关限制实现对输出的稳定限制P点整流桥整流桥+PFC电路电路返回什么是PFCPFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与耗电总功率之间的关系，也就是有效功率除以耗电总功率的比值。基本上功率因数可以衡量电
6、力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。因此PFC电路作用就是“提高功率因数”有功功率、无功功率、总功率有功功率、无功功率、总功率、功率因数、功率因数举例：举例：总功率：电机供电电路中电流和电压乘积总功率：电机供电电路中电流和电压乘积有功功率：电机的机械输出功率有功功率：电机的机械输出功率无功功率：电机为建立交变磁场和感应磁无功功率：电机为建立交变磁场和感应磁通而须要的电功率就称为无功功率通而须要的电功率就称为无功功率功率因数：有功功率功率因数：有功功率/总功率总功率明显电机的功率因数小于1，而类似于电熨斗的纯阻性发热设备功率因数为1 缘由缘由感性电路和容性电路中电流不感性
7、电路和容性电路中电流不能突变和电压不能突变，电压能突变和电压不能突变，电压相位和电流的相位会有不同相位和电流的相位会有不同如电路中的电压为零的时候，电流可能不为零，此时的电流可能会倒灌如电网，使电网产生额外的开销的同时也会对其造成损害。PFC驱动电路驱动电路整流桥整流桥IGBT限制限制IGBT的推的推挽输出挽输出 一对一对三极管三极管接入电感接入电感储能大电容，给后面储能大电容，给后面的负载提供电能，电的负载提供电能，电感为其充电感为其充电二极管前后电压波形二极管前后电压波形注释：谐波注释：谐波在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关在实际的供电系统中，由于有
8、非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上很多谐波频率的正系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上很多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为，二次谐波为100Hz，三次谐波则为，三次谐波则为150Hz。危害危害增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。PWM脉宽调制脉宽调制信号输入信号输入错误输错误输出出由于
9、电容两侧电压不能突变和电感两侧电流不能突由于电容两侧电压不能突变和电感两侧电流不能突变的作用变的作用IGBT突然开和关可以抬高突然开和关可以抬高P点电压以应电点电压以应电机需要；由于机需要；由于D4二极管单向导通，电流波形如左二极管单向导通，电流波形如左图（尖峰式），会产生对系统有害的谐波。通过对图（尖峰式），会产生对系统有害的谐波。通过对IGBT复杂复杂PWM的控制把其变成与前面类似的正弦的控制把其变成与前面类似的正弦波。即完成功率因数校正波。即完成功率因数校正电流电压不电流电压不同步了同步了采样电流采样电流错误检测错误检测沟通电压采集220V 分压电阻防止电压过高通过集成运算放大器的虚短虚
10、断计算，若没有下面的3.3V和GND的并联，ACVin为-1.6+1.6的正弦波，因为后面接了芯片的AD采集，而其只能采集0+3.3的范围，所以用接点处的+1.6V给其抬高至03.2V左右电流采集接到整流桥的负端采到的是整个直流回路的电流虽然采的是电流，但同样利用运放的虚短虚断原理计算出AC-C点电压=负8.2倍的AC-Cin的电压，然后通过芯片采集的AC-C电压来反推出AC-Cin电流即可限压二极管防止烧坏芯片逆变器逆变器整流后的直流电整流后的直流电6路限制路限制信号信号错误输出错误输出过流疼过流疼惜输入惜输入驱动电机驱动电机的三项沟的三项沟通电通电三项沟通三项沟通电的负端电的负端IPM：智
11、能功率模块，把功率开关器：智能功率模块，把功率开关器件和驱动电路集成在一起。内部有过件和驱动电路集成在一起。内部有过压，过流和过热等故障检测电路压，过流和过热等故障检测电路其中一个过流疼惜电路其中一个过流疼惜电路三项输出电流采集：三项输出电流采集：计算方法同前，通过运计算方法同前，通过运放把采来的电压放大接放把采来的电压放大接入入AD采集，再反推出采集，再反推出采集电流采集电流驱动电源的驱动电源的正负端子正负端子其内部可以等效成如下其内部可以等效成如下IGBT的限制1.当Sa+导通,Sa-关闭时，ia正向导通2.当Sa-导通,Sa+关闭时，ia负向导通续流二极管1.不能让Sa+和 同时切换，电
12、流突然变向伤电机2.当Sa+关闭，Sa-依然关闭时，电流依然可以通过续流二极管继续正向流通3.浪涌续流二极管：以一个臂为例通过六个IGBT的开关控制，可以输出极值为+-VBB三项交流电，以此驱动电机产生与正弦三项交流电相同的效果，从而调控转速（如右示意图）IPM模块内部结构模块内部结构吸取电路用以限制关断浪涌电压和续流二极管复原浪涌电压；压敏电阻同样起到稳定电压，吸取浪涌作用；低感电容跨接在沟通电输出和VCC之间；二极管箝住瞬变电压疼惜电路，防止过压。UV欠压疼惜检测错误疼惜，内部三个疼惜模块，随意一个发出错误信号，场效应管漏极源极导通，FO输出低电平错误信号，同时Shoot Through
13、Prevention得到信号关闭IGBT以疼惜温度疼惜过流疼惜疼惜贯穿预防：避开了两个栅极信号状态的同时贯穿打开IGBTTHE ENDBY liguangxu关于浪涌关于浪涌a.关断浪涌关断浪涌 关断浪涌电压是在关断瞬关断浪涌电压是在关断瞬间流过间流过IGBT 的电流时产的电流时产生的瞬态高压。生的瞬态高压。当该当该IGBT 关断时，负载关断时，负载电流不能立刻变更，由上电流不能立刻变更，由上臂续流二极管导通。由于臂续流二极管导通。由于负载中电感的存在，其增负载中电感的存在，其增加的电压加的电压 VP=LPdi/dt,这个电压与电源电源电压这个电压与电源电源电压叠加并以浪涌形式加在下叠加并以浪
14、涌形式加在下臂臂IGBT 的两端，在极端的两端，在极端状况下可能造成状况下可能造成IGBT损损坏。坏。b.续流二极管的复原浪涌续流二极管的复原浪涌 当续流二极管复原时会产当续流二极管复原时会产生与关断浪涌电压相像的生与关断浪涌电压相像的浪涌电压。当下臂浪涌电压。当下臂 IGBT 开通时，续流管电流转移开通时，续流管电流转移到下臂到下臂 IGBT 而下降。而而下降。而当复原时，线路中的寄生当复原时，线路中的寄生电感产生一个浪涌电压电感产生一个浪涌电压LPdi/dt.返回电流导通：直流电压电流导通：直流电压干脆作用于变压器源干脆作用于变压器源边，源边储存能量；边，源边储存能量；断开：复变产生相反断
15、开：复变产生相反电压（电流不能突变）电压（电流不能突变），此时整流二极管导，此时整流二极管导通，能量通过电磁作通，能量通过电磁作用耦合到副边，产生用耦合到副边，产生正向电压正向电压注释页注释页1 IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流确在漏源电流确定的状况下定的状况下,u GS越高越高,uDS就越低就越低,器件的导通损耗就越小器件的导通损耗就越小。但是。但是,u GS并非越高越好并非越高越好,一般不允许超过一般不允许超过20V,一旦发生一旦发生过流或短路过流或短路,栅压越高栅压越高,则电流幅值越高则电流幅值越高,IGBT 损坏的可能性损坏的可能性
16、就越大。通常就越大。通常,综合考虑取综合考虑取+15V 为宜。为宜。所以电路中用所以电路中用NPN PNP对管的推挽输出来实现栅极的对管的推挽输出来实现栅极的+15V和和0V的驱动转换。同时，栅极的驱动转换。同时，栅极R38的接入保证输入信号消的接入保证输入信号消逝时栅极电压为逝时栅极电压为0注释页注释页2 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型，绝缘栅双极型晶体管，是由晶体管，是由BJT(双极型三双极型三极管极管)和和MOS(绝缘栅型场效绝缘栅型场效应管应管)组成的复合全控型电组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。压驱动式功率半导体器
17、件。返回栅极电阻栅极电阻Rg的作用：的作用：1、消退栅极振荡、消退栅极振荡 绝缘栅器件绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不行避开的，假如没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动感又是不行避开的，假如没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必需串联一个电阻加以快速脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必需串联一个电阻加以快速衰减。衰减。2、转移驱动器的功率损耗、转移驱动器的功率损耗 电容电感都是无功元件，假如没有栅极电容电感都是无功元件，假如没有栅极电阻，驱动功率就将
18、绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多温度上升很多注释页注释页3返回IGBT 与强电网有干脆电联系与强电网有干脆电联系,因此因此,驱动器限制电路具有电隔离实力驱动器限制电路具有电隔离实力可以保证设备的正常工作可以保证设备的正常工作,同时又同时又可平安调试，但不应影响驱动信可平安调试，但不应影响驱动信号的正常传输。号的正常传输。PWM通过驱动芯通过驱动芯片片IR2127的隔离，使得输出段的隔离，使得输出段HO使信号变为使信号变为015V。对管和驱动芯。对管和驱动芯片也保证了片也保证了IGBT出现损坏引起的出现损坏引起的大电流
19、不会影响到前面的电路大电流不会影响到前面的电路驱动电阻驱动电阻Rg的选取的选取 IGBT 的开关时间是由驱动器对的开关时间是由驱动器对IGBT 的输入电容的输入电容的充放电来限制的充放电来限制,增加门极输出电流增加门极输出电流,IGBT 开通时间和关断时间会开通时间和关断时间会相应缩短相应缩短,开关损耗也会降低开关损耗也会降低,Rg主要是用来限制门极输出的降值电主要是用来限制门极输出的降值电流流,Rg可由下式确定可由下式确定:Rg=U/Ipeak，(Ipeak=(Vbat-Vceon)/Rcoil一般可以在驱动器数据文档中找到。一般可以在驱动器数据文档中找到。)可如下选取：可如下选取：IGBT
20、额定电流额定电流(A)分别：分别：50 100 200 300 Rg阻值范围阻值范围()分别：分别：1020 5.610 3.97.5 35.6本作中本作中IGBT所用的所用的GW20NC60VD确定最大额定确定最大额定Ic 为为 30（100）60A（25）注释页注释页4返回 3、为提高开关频率、为提高开关频率,Rg 取值应取值应当当尽量小。但假如尽量小。但假如Rg 取值过小取值过小,会会导致栅、射极之间的充放电时间导致栅、射极之间的充放电时间常数小常数小,开通瞬间电流较大开通瞬间电流较大,从而从而损坏损坏IGBT;若若Rg 取值过大取值过大,虽然在虽然在抑制抑制dv/dt方面很有效果方面很有效果,但增但增加了加了IGBT的开关时间和开关损耗的开关时间和开关损耗,严峻影响严峻影响IGBT的性能和工作状态。的性能和工作状态。因此必需统筹兼顾。因此必需统筹兼顾。