使用脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在逆變器中會(huì)遇到高頻開(kāi)關(guān)損耗，而高頻電機(jī)損耗與電流紋波有關(guān)。這意味著必須在系統(tǒng)級(jí)別存在必須調(diào)查的權(quán)衡。為了了解這些電機(jī)損耗與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，進(jìn)行了不同的研究。但是，其中大多數(shù)僅適用于與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)一起使用的頻率，通常高達(dá)20 kHz。

　　英飛凌使用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)寬帶隙(WBG)開(kāi)關(guān)，將仿真和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，研究了較高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)逆變器和電機(jī)效率(高達(dá)50 kHz)的影響。本文詳細(xì)介紹了所使用的方法，并討論了模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果。

　　測(cè)試和測(cè)量設(shè)置

　　逆變器設(shè)計(jì)由三個(gè)半橋組成，使用三個(gè)子板模塊實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化并加快了不同開(kāi)關(guān)技術(shù)的測(cè)試。該逆變器具有六個(gè)獨(dú)立的 55 mΩ 開(kāi)關(guān)，采用 CoolGaN 600 V 增強(qiáng)模式功率晶體管和 CoolSiC 650 V 的 TOLL 封裝器件選項(xiàng)，由 EiceDRIVER 2EDF7175F 雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

　　來(lái)自主板隔離電源的低側(cè)和高側(cè)偏置電壓可針對(duì)不同的寬帶隙技術(shù)(SiC 18 V和GaN 10 V)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了確保對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)的精確控制，XENSIV TLI4971主板上的霍爾效應(yīng)電流傳感器測(cè)量逆變器相電流。這些信號(hào)由XMC XMC4400微控制器處理，該微控制器還使用位置傳感器對(duì)永磁同步電機(jī)(PMSM)速度執(zhí)行磁場(chǎng)定向控制(FOC)。

　　表 1. 永磁同步電機(jī)參數(shù)*

　　參數(shù)BSM33C-6177MHQ

　　電壓320 V

　　當(dāng)前12.5 安培

　　權(quán)力3 馬力

　　速度1800 轉(zhuǎn)/分

　　電感5.2毫高

　　電阻1 Ω

　　感應(yīng)電機(jī)充當(dāng)渦流制動(dòng)器，將各種電流施加到感應(yīng)電機(jī)的繞組上，以改變軸扭矩。使用感應(yīng)電機(jī)制動(dòng)器還可以確保平穩(wěn)的負(fù)載扭矩，同時(shí)防止齒槽效應(yīng)。

　　用于評(píng)估WBG開(kāi)關(guān)器件影響的電路板和測(cè)試設(shè)置如圖1所示。

　　* 圖1. 測(cè)試板和測(cè)量設(shè)備。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　逆變器功率損耗

　　當(dāng)直流電轉(zhuǎn)換為交流電時(shí)，電機(jī)逆變器中的能量會(huì)損失。這是由于逆變器組件中的電阻損耗、電力電子設(shè)備中的開(kāi)關(guān)損耗和無(wú)源器件中的電磁損耗共同造成的。能量損失量取決于逆變器的設(shè)計(jì)和規(guī)格，并與逆變器運(yùn)行的逆變器的開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)。

　　由于發(fā)生更多的開(kāi)關(guān)事件，開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越高。因此，選擇合適的逆變器開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率非常重要。最終，為了確定特定電機(jī)逆變器設(shè)置的最佳開(kāi)關(guān)頻率，折衷是必要的。為幫助降低逆變器功率損耗而選擇的功率半導(dǎo)體器件技術(shù)取決于許多因素，包括電壓、電流、開(kāi)關(guān)頻率、占空比、電壓變化率 (dv/dt) 和柵極電阻 (Rg)。

　　圖 2 顯示了額定電壓為 600-650 V 的 GaN 和 SiC 功率開(kāi)關(guān)器件在 320 V 和 8 A 下從最低到最高開(kāi)關(guān)頻率的仿真功率損耗(使用 PLECS)。在較低頻率(5-10 kHz)下，SiC開(kāi)關(guān)比GaN略有優(yōu)勢(shì)。然而，在20-50 kHz范圍內(nèi)，與SiC相比，GaN器件的功率損耗明顯更低。然而，優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和效率還需要考慮電源技術(shù)和器件特性。

　　* 圖2. PLEC模擬不同開(kāi)關(guān)器件在不同頻率上的逆變器損耗。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　電機(jī)功率損耗

　　在這項(xiàng)研究中，重點(diǎn)是電機(jī)高頻損耗。將測(cè)量分為高頻和低頻分量是使用連續(xù)低通濾波器的迭代過(guò)程完成的。圖3顯示了由辨別產(chǎn)生的電流測(cè)量結(jié)果。對(duì)于電壓，也應(yīng)用了類(lèi)似的分離過(guò)程。

　　* 圖3. 分離高頻和低頻電流。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　* 圖4. 高頻電流分量。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　圖4顯示了執(zhí)行電流調(diào)理后的高頻相電流。正如預(yù)期的那樣，在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電流紋波的大小較低，這種減少的電流紋波也有助于減少電機(jī)中的能量損失。

　　高頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)功率損耗

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的高頻功率損耗可以使用以下公式計(jì)算：

　　LossessHF=(VabHFIaHF+VbcHFIbHF+VcaHFIcHF+VabHFIbHF+VbcHFIcHF+VcaHFIaHF)/3

　　不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下不同開(kāi)關(guān)頻率下的高頻功率損耗如圖5所示，其中(|I|=sqrt{I^{2} zeo0uhc+I^{2} {q}}).900 rpm 和 50 kHz 時(shí)的高頻損耗太小，無(wú)法顯示。

　　結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)頻率對(duì)高頻電機(jī)損耗有明顯影響，高頻功率損耗顯著降低。最高損耗發(fā)生在 1800 rpm 和 5 kHz 時(shí)。對(duì)于該工作點(diǎn)，損耗約為12 W，而對(duì)于相同的速度和50 kHz開(kāi)關(guān)頻率，損耗僅為2 W，表示節(jié)能10 W。

　　圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　* 圖5. 各種電機(jī)轉(zhuǎn)速下的高頻損耗。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　另一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是高頻損耗取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可能是由于磁體中的渦流在更快的速度下增加。鐵損是另一個(gè)隨速度變化的特征，磁滯隨著電機(jī)速度的增加而上升，也會(huì)影響電機(jī)的功率損耗量。

　　整體系統(tǒng)損耗

　　負(fù)載、速度和溫度等參數(shù)會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。減少相對(duì)于輸出功率的能量損失可提供最佳的電機(jī)運(yùn)行效率。對(duì)高頻電機(jī)和逆變器損耗組合的分析(圖6)表明，當(dāng)以1800 rpm的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速和50%額定負(fù)載(1.1 kW)運(yùn)行時(shí)，在20 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)了最佳工作點(diǎn)(電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于其輸出功率的損耗最低)。

　　保持盡可能接近該點(diǎn)的操作對(duì)于最大限度地降低功耗至關(guān)重要。圖6確認(rèn)，工作開(kāi)關(guān)頻率的選擇需要在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行評(píng)估。這種選擇涉及考慮逆變器和電機(jī)中使用的設(shè)備技術(shù)。使用不同的開(kāi)關(guān)技術(shù)可以改變最佳工作開(kāi)關(guān)頻率和系統(tǒng)經(jīng)歷的功率損耗。

　　圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　* 圖6. 確定整體系統(tǒng)損耗和最佳工作點(diǎn)。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

　　世界銀行集團(tuán)開(kāi)關(guān)器件摘要

　　當(dāng)使用寬帶隙開(kāi)關(guān)器件時(shí)，在較高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以提供更高的整體系統(tǒng)效率。但是，由于逆變器和電機(jī)損耗之間的折衷，應(yīng)仔細(xì)選擇開(kāi)關(guān)頻率。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電機(jī)高頻功率損耗降低。但是，需要進(jìn)一步分析電機(jī)軸承和繞組在高開(kāi)關(guān)頻率和更快轉(zhuǎn)換(dv/dt、di/dt)下的使用壽命的影響。此外，較高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)低頻損耗的影響也需要進(jìn)一步研究。

　　新的電機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮WBG設(shè)備的潛力，以滿足未來(lái)的效率需求。此外，未來(lái)的電機(jī)設(shè)計(jì)還應(yīng)有助于解決與更高開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的問(wèn)題(例如，軸承和繞組的磨損等)。