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隨著新能源電動汽車的發(fā)展，電驅動系統(tǒng)功率密度需求不斷增加，驅動電機朝著高速化、高頻化、高壓化方向發(fā)展。傳統(tǒng)Si基器件的開關頻率已經逼近其材料的本征極限。SiC等第三代寬禁帶半導體器件將逐步應用在電驅動系統(tǒng)中，SiC器件高開關頻率使得電機繞組中電流諧波更小，降低了諧波損耗，提高了電機的效率，高的母線電壓使得電機高效區(qū)向高速區(qū)移動，更加適應驅動電機高效輕量化的發(fā)展需求。但是，相比Si器件，SiC器件的高壓和快開關速度特點，使得電機繞組將長期暴露在更大的dv/dt脈沖電壓作用下，直接威脅繞組絕緣安全。

目前，為了追求更高的功率密度，電動汽車驅動電機常采用Hairpin繞組，因為其槽滿率較高，可以增加有效導體面積，提高電機低速區(qū)效率。但是在高頻激勵下，Hairpin繞組的交流損耗問題將更加嚴峻。渦流效應導致槽內損耗分布不均勻，進一步導致槽內溫升分布的不均勻，容易使得繞組絕緣出現(xiàn)局部熱點，增加絕緣熱應力。

研究表明，靠近槽口部位會出現(xiàn)最高溫升點。與此同時，較高的溫升也將導致局部位置的絕緣初始放電電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）降低，在高dv/dt脈沖電壓作用下，一旦繞組匝間絕緣承受的最大電壓超過對應位置處絕緣的PDIV，就會發(fā)生局部放電。而且，高頻dv/dt脈沖電壓一般可達幾MHz～幾十MHz，電機繞組的分布參數(shù)將不可忽略，尤其是繞組和繞組間與繞組和鐵心間的分布電容將使得繞組匝間電壓分布不均勻。

針對該問題，現(xiàn)有研究多針對傳統(tǒng)Si基逆變器，而關于SiC逆變器對繞組絕緣影響的研究很少，尤其是對Hairpin繞組匝間電壓的研究尚未可見。可以預見，基于SiC逆變器的Hairpin繞組驅動電機將是下一代電動汽車電驅動系統(tǒng)的一種重要選擇。因此，有必要針對其可靠性問題進行綜合分析。

針對上述問題，哈爾濱工業(yè)大學等單位的研究人員在Hairpin繞組層間換位連接結構的基礎上，建立了考慮雙邊導體耦合效應的Hairpin繞組的高頻等效電路模型，實現(xiàn)了對繞組匝間電壓應力的準確計算，進而分析了不同脈沖電壓幅值、絕緣厚度和材料相對介電常數(shù)、絕緣氣隙間距等對氣隙電場分布的影響規(guī)律，為SiC驅動下的Hairpin繞組電機絕緣設計和安全分析提供了有效方法。

圖1 Hairpin繞組電機3D結構示意圖

他們首先提出考慮雙導體邊耦合效應的Hairpin繞組單匝線圈高頻等效電路模型，提取電機繞組的高頻分布參數(shù)，并基于場路耦合有限元方法建立Hairpin繞組的匝間電壓計算模型；然后，得到SiC逆變器驅動下的繞組匝間絕緣電壓應力，利用繞組匝間電壓測試平臺驗證了模型與分析方法的正確性；最后，分析了不同匝間電壓幅值、絕緣厚度、材料相對介電常數(shù)、匝間氣隙長度等對氣隙電場分布線的影響規(guī)律，以氣隙電場分布線與Paschen曲線的關系為判據，給出了一種判斷繞組絕緣是否發(fā)生放電的方法。

圖2 匝間電壓測試平臺

研究人員最后得到以下結論：

1）本課題提出的Hairpin繞組的高頻等效電路模型可準確估計匝間電壓最大值及其發(fā)生位置，對于傳統(tǒng)層間換位Hairpin繞組連接方式而言，其匝間電壓最大值出現(xiàn)在各相入線端和出現(xiàn)端的首尾兩匝線圈位置，需要在絕緣設計時加以注意。

2）隨著SiC逆變器母線電壓增加，氣隙電場強度向上平移，當達到1 200V以上時，在現(xiàn)有絕緣條件下，匝間絕緣氣隙電場線才會超過Paschen曲線。隨著絕緣厚度增加，氣隙電場線下移，逐漸遠離Paschen曲線，但是會導致電機槽滿率下降，不利于功率密度提升。此外，絕緣介電常數(shù)增加會使得氣隙電場線上移，更加趨近Paschen曲線，增加了絕緣氣隙放電風險。

3）對于Hairpin繞組電機，受到渦流效應的影響，靠近槽口的位置，絕緣工作溫度較高，如果出線端布置在氣隙側，不僅會產生較大的絕緣電應力，同時還要承受較高的熱應力，這對于絕緣是不利的。將出線端設置在槽底側，可以避免匝間絕緣同時受到高電熱應力的影響。

另外，研究人員指出，針對SiC高頻、高dv/dt的激勵特點，為了保證電驅動系統(tǒng)的安全可靠運行，研發(fā)更高PDIV的絕緣材料是必要的，同時考慮熱-電耦合的低絕緣應力繞組設計也是下一步的研究重點。

本文編自2021年第24期《電工技術學報》，論文標題為“SiC逆變器高頻脈沖電壓對Hairpin繞組絕緣安全的影響分析”，作者為鞠孝偉、程遠 等。