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車用永磁同步馬達之主動短路保護策略設計
作者
徐偉晉
任職單位: 工研院機械所
刊登日期:2026/03/27
摘要
本文提出一套適用於電動車用永磁同步馬達之主動短路保護策略,透過控制功率模組之開關狀態,主動約束系統能量之流動路徑。當系統發生異常時,該策略可使故障電流侷限於馬達驅控器與馬達之間,避免能量逆灌至直流母線,進而降低高壓電池及其他關鍵元件的損壞風險,提升整體車輛系統之安全性與可靠度。文章內容涵蓋主動短路保護策略之控制原理與設計考量,最後以一顆電動車用永磁同步馬達作為實例進行模擬驗證,結果顯示所提出之策略能有效達成故障保護目的,具備應用於電動車及其他馬達驅動系統之實務可行性。
Abstract
This article presents an active short-circuit protection strategy for permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive systems in electric vehicle (EV) applications. By controlling the switching states of the power semiconductor devices, the proposed strategy regulates the energy flow paths within the system. Under abnormal conditions, fault currents are confined between the motor drive and the PMSM, thereby preventing energy backflow to the DC bus and mitigating the risk of damage to the high-voltage battery and other critical components, which enhances overall vehicle safety and reliability. The control principles and design considerations of the active short-circuit strategy are discussed in detail. Simulation studies conducted on a 150 kW EV-grade PMSM validate that the proposed strategy effectively achieves fault protection and demonstrates practical applicability to EVs and other motor drive systems.
前言
電動車市場在近年來有快速發展的趨勢,而其中以永久磁鐵為核心的永磁同步馬達 (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)占有核心的地位。相較於傳統的異步感應馬達(Induction Motor, IM),永磁同步馬達擁有更高的效率和功率密度,能夠在相同體積下輸出更大的扭矩,因而逐漸成為市場的主流選擇。然而,不同於異步感應馬達,永磁同步馬達的轉子磁場是由轉子內部的永久磁鐵產生,代表只要轉子旋轉,定子繞組會相應地持續感應出反電動勢,提升轉速也會提高反電動勢。
在系統正常運作的情況下,當馬達轉速超過額定轉速,也就是反電動勢超過馬達驅控器的直流母線電壓,馬達驅控器會進入弱磁控制模式,透過削弱轉子磁場控制感應出的反電動勢大小,來進一步提升馬達轉速。但是,在弱磁控制模式下,一旦系統出現錯誤導致馬達驅控器失去控制,無法繼續削弱轉子磁場,此時馬達將轉變為發電機,能量會不受控的從功率模組的續流二極體逆灌回直流母線,這種現象被稱為不受控發電(Uncontrolled Generation, UCG),如圖 1。
UCG 會導致直流母線電壓快速提升,造成擊穿直流母線電容或是功率模組,若情況嚴重甚至會導致電池過熱或失控起火。為了應對 UCG 可能導致的重大危險來符合如 ISO26262 等安全規範,主動短路(Active Short-Circuit, ASC)技術成為 UCG 這一現象的對策,透過導通功率模組中的特定開關,使得馬達的三相繞組短路,強迫能量只能在馬達驅控器與馬達之間流動,進而避免能量回灌入直流母線中。
本文將介紹 ASC 實現原理及設計考量,涵蓋理論分析、電路模型、啟用時機、硬體設計限制等,最後以模擬實驗,驗證此保護策略的效果。
文中圖表和實驗將以一顆 150 kW 電動車用永磁同步馬達計算及演示,馬達參數如表 1。
主動短路原理介紹
ASC 原理為導通三相逆變器功率模組中三個半橋的上臂或是下臂,讓馬達三相繞組形成短路狀態,如圖 2。此時馬達的反電動勢會全部施加在定子繞組和功率模組上,將馬達的機械能全部以熱能的形式消耗掉,確保不會發生 UCG,讓能量回灌到直流母線上。
接下來將從馬達的理論模型進行推導,提供 ASC 開啟時穩態與暫態的解析解並說明物理意義。
DOI: 10.30256/JIM.202604_(517).0011
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2026年04月號
(單篇費用:參考材化所定價)