碳化硅高速电机控制器设计及效能分析_冯明.pdf
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1、第卷第期年月电 力 电子技术,碳化娃高速电机控制器设计及效能分析冯明,侯东易,安嘉强(北京科 技大 学,机械工程学院,北京)摘要:以碳 化硅()器件为代表的宽禁带半导体器件,对比以绝缘栅双极型晶体管()为代表的硅基半 导体功率器件,有开关损耗低、开关速度快、器件耐压高等优势。尤其是对于超高速电机控制器的开发,降低 控制器损耗和减小电机相电流谐波成分是关键,故将作为电机控制的功率半导体元件成为了提升控制器效率、减小控制器体积、优 化控制效果的重要方法。此处设计了一款功 率器件构成的 电机控制器,通过控制核心驱动 高速永磁同步电机,测定控制周期与死区时间对谐 波成分的影响。然后将其与器件构成的控制
2、器进行 控 制效 果的对比。实验表明采用器件的控制器损耗更 低,可以实现更高的开关频 率和更小的死区时间,从而 能 有 效降低电机中的谐波成 分,减小温升,控制效果更优。关键词:高速电机;碳化硅;永磁同步电机中 图分类 号:文献标识码:文章编 号:(),):?(),)(),?,:;:()基金项目:军委后 保部重点项目()定稿日期:作者简介:冯明(),男,教授,研究方向 为电机及其控制技术、摩擦学。侯东易(),男,硕士研究生,研究方向 为高速电机控制 器及控制技术(通信作者)。近年来随着 新能源汽车等行业的蓬勃 发展和“双减”政策的提出,电力行业越来越向低损 耗、髙效率、高密 度的方向发展。同样
3、随着 新一代半 导体材料的发展,以、氮化镓为主 导的宽禁带半导体元件应用得越来越多。传统的大功率电机控制器往往采用硅基作为其功 率 半 导体元件。但引言其自身特性使得它存在着 拖尾电流 大、开关损耗高等问题,限制了其开关频率的提升,并且为了保护芯片,一般需要 设定较大的死区时间【。而后面简化 为乍为宽禁带半导体元件,由于其更低的开通关断时间,不仅可以大幅降低其死区时间,而且能提升电机控制器的开关频率,从而使控制器整体的相电流谐波含量少。配合矢量控制方法,能够有效优化控制器的控制 效果。对于超高速电机的应用越来越多,逐渐替代了可靠性低和体积大的变速器机构。对于超高速电机控制,由于谐波成分多,电机
4、温升大的问题也尤 为突出由于高速电机结 构 设计时不可避 免碳化硅高速电机控制 器设计及效能 分析地会致使相电感的设计值较小,导致其控制过程中会产生更多 的谐波成分,所以提升控制频率、抑制温升也是高速电机控制的关键。此处采用的功率半导体器件,设计一款峰值电流的 电机控制器,完 成其 控制电路的设 计及矢量控制驱动算法的开发,并 将 其与硅基构成的控制器进行效率对比和分析。电机控制器设计对于器件,有着大电流通过 能 力、较大的输入阻抗、高 耐压等级。但其也有局 限性,相较器件有更慢的开关速 度、更大的开关损耗和导通损耗。但由表可知,器件耐压等级较低,这限 制了其在 高电压电机控制器上的应用。表不
5、同器 件 参 数对比()()元器件型 号器件耐压导通电流开关总延时()()()对于器件,拥 有了更大的耐压、更快的开关速度,便成为了理想的功率半导体元件。但由于封装技 术不 成 熟,其在 大电流下的封装方法更困难,成本增加,所以此处采用多个的并联设计,以达到设计需求。器件选型针对不同厂家 有着不同的产品。此处设计要 求中有母线电压和峰值相电流 要求,故采用。这款有 着的栅极耐 受电压范围,的源 漏极电压等级,的导通电阻,由于设计 要求电流需达到,故采用管并联的方式。驱动电路设计永磁同步电机控制系统的首要要求就是驱动电路的可靠性,有足够的拉灌电流能力,满足的快速开关,驱动原理图见图。驱动电路设计
6、方面此处采用磁隔 离芯片,它具 有的拉灌电流能力,足以提 供个并 联芯片工作所需的栅极电荷 量。驱动电源选择要根据芯片 的栅 极耐压 确定。芯片的导通电阻及导通压降 与栅极电压与成反比,但过高的栅极电压也会影响芯片 寿命,故设计作 为芯片开通电压。由于的桥臂串扰现象 更 严重,相应需要进行负压关断设计。但自身不耐负压,所以选用关断,在保证芯片栅极安全的前提下来减小串扰现象的发生。由于在更 高的开关频率下,不可避免地会在电路中产生更大的 出,造成 更大的电磁干扰,所以电路的隔离设计也需提出更严苛的要求。图驱 动电路原理图 此处采用了层设计,分 别为功率级、驱动 级、控制 级。在功率级设 计铜排与
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