用于电气化交通的 400 千瓦集成模块化电机驱动：架构、热管理与 EMI 滤波

《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》：A 400-kW Integrated Modular Machine Drive for Electrified Transportation: Architecture, Thermal Management, and EMI Filtering

　　

摘要：

交通运输的快速电气化对电机驱动系统提出了高功率密度、高效率和卓越可靠性的要求。本文介绍了一种18相、400 kW集成模块化电机驱动（IMMD）系统的设计与实验验证。该系统架构将开绕组电机与单相全桥碳化硅（SiC）逆变器深度集成，形成18个在结构和电气上相互解耦的模块，从而实现独立控制、故障隔离和快速维护。主要创新包括：一种定制的1200 V/160 A叠层直接覆铜（DBC）SiC功率模块，具有较低的寄生电感；以及一种采用原位三维石墨烯网络的超导电铜绕组导体，可同时提升导电性、导热性和机械强度。逆变器和电机模块均采用基于针翅（PINFIN）的直接液冷方案，热仿真结果表明，在额定工况下热点温度始终低于材料极限。本文提出了一种混合前馈—反馈（FFFB）有源电磁干扰（EMI）滤波器，用于抑制低频共模（CM）干扰，在20–500 kHz频段实现了显著衰减。单模块满载测试和三相同步协调试验的实验结果验证了设计的可行性与性能预测。所开发的IMMD系统为下一代电气化交通中高度可靠、紧凑且可维护的电动驱动系统提供了一条可行途径。

I. 引言

根据国际能源署（IEA）的统计数据[1]，交通运输约占全球能源相关二氧化碳排放量的23%。因此，交通运输电气化作为减少交通碳排放的关键战略，近年来得到了快速发展。从2019年到2024年，仅电动汽车就减少了约8000万吨CO₂排放[2]。同样，国际民用航空组织也设定了一个雄心勃勃的目标，即到2050年实现商业航空的净零碳排放[3]。为支持这一持续的电气化趋势，电机驱动技术正在快速演进，呈现出更高功率等级、更高功率密度、更高效率、更高安全性和更好可维护性的发展趋势。这些驱动因素推动了集成模块化电机驱动（IMD）技术的发展，IMD通过将电机及其驱动系统集成到一个结构中，提升了系统整体效率和功率密度[4]。在IMD概念的基础上，通过在相同模块之间分配额定扭矩/功率需求，进一步的模块化设计提高了容错能力和可维护性，从而催生了集成模块化电机驱动（IMMD）系统[5]。然而，IMMD的高集成度在减小体积和提高功率密度的同时，也带来了热管理和电磁兼容性（EMC）方面的更大挑战。