一种创新的电动汽车变流器优化设计方法

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IGBT的选择对功率变换器的效率、可靠性和成本均有重要影响，是变换器设计阶段要解决的首要问题。然而，目前在功率变换器的设计中，IGBT及开关频率的选择更多依赖于设计者的经验，缺乏明确的理论依据。为此，华南理工大学电力学院、比亚迪股份有限公司的研究人员罗旭、王学梅、吴海平，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，提出一种新颖的基于多目标优化的电动汽车变流器设计方法。

由于环境保护和全球能源危机，近年来电动汽车（Electric Vehicle, EV）已经吸引了越来越多国家的关注，发展非常迅速。作为驱动系统中的关键单元，变流器对电动汽车的性能有重要影响，而功率器件是变流器中最脆弱的元件之一，且占其绝大部分损耗。

有关可靠性调研报告表明，在电力电子系统中，由功率器件和电容器引起的设备故障率最高，约占50%。因此，选择合适的功率器件（如IGBT）是变流器设计阶段最重要的任务之一。

通常，IGBT的选择主要取决于变换器电压等级和通流大小。此外，为了确保IGBT的长期安全运行，其结温不能超过允许最大值。然而，IGBT结温的计算是一个相对复杂的过程，它不仅取决于器件功率损耗和热特性，还与冷却系统和环境温度等因素有关。

为了简化IGBT的选择过程，功率模块制造商通常提供损耗计算软件，如Infineon IPOSIM和Semikron DriverSel，这些软件可以在相对简单的热模型的基础上，近似计算出功率器件的平均损耗和结温变化情况。

近年来，工业界和学术界逐渐在功率器件的选择方面进行了更多的探索。IGBT和开关频率的选择已经从早期的依赖工程经验转变到考虑变换器的性能优化上。美国能源部制定的电动汽车发展路线图指出，到2025年，电动汽车的安全行驶里程必须达到15年或超过48万km。

因此，除了效率和功率密度外，EV变流器还需要满足可靠性和寿命的要求。此外，在汽车工程中，设计师总是希望将成本降到最低，以保持其市场竞争力。然而，对电力电子系统而言，以上性能指标往往是相互冲突的，即不可能在保证最低成本的同时，获得最高的效率和寿命。

多目标优化是解决这个问题的方法之一。为此，华南理工大学、比亚迪公司的研究人员提出了一种新的EV变换器优化设计方法，来选择最合适的功率器件和开关频率，主要贡献包括：①基于综合多目标优化选择IGBT和开关频率，以实现变流器能量损耗、寿命和成本之间的最佳折中；②建立了基于汽车都市循环工况下的EV变流器性能评价函数。

图1  多目标优化设计流程

众所周知，传统的功率密度和效率等性能指标通常是在额定工况下获得的。然而，在实际行驶工况期间，变流器消耗的能量是时变的。因此，只有基于汽车都市循环工况建立的性能评价函数才能反映EV实际运行状况。

图2  EV变流器电热仿真模型

研究人员以开关频率和芯片面积作为设计变量建立EV变流器的三个评价函数，研究了目标函数与设计变量之间的关系，并基于Pareto最优理论实现能量损耗、成本和寿命之间的最佳折中。基于该方法，可以在满足设计要求的前提下获得最佳的设计方案，使得EV变流器满足效率和可靠性要求的同时成本最小。最后，实验验证了该方法的有效性。

图3  实验样机实物图

图4  测试平台

在优化设计过程中，研究人员指出也存在一些不足：一是对变流器性能有较大影响的IGBT驱动电路部分没有包括在优化设计中；二是尚未考虑不同元件（如IGBT和电容器）之间的热耦合作用。这些不足将会在未来的工作中进一步探讨和研究。

以上研究成果发表在2020年第10期《电工技术学报》，论文标题为“基于多目标优化的电动汽车变流器IGBT及开关频率的选择”，作者为罗旭、王学梅、吴海平。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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