兩相電壓源逆變器的三種不同方案

48 V兩相電動機驅(qū)動器是低成本微型機動或微型混合動力推進系統(tǒng)的合適選擇。1這是因為整個框架是高效且具有成本效益的。由于直流母線電壓低，因此對于建議的框架而言，工作電流相對較高。由于它是電流密集型系統(tǒng)，因此需要使用大容量電容器來減少直流母線電壓紋波。為了確保可靠的框架，必須研究功率轉(zhuǎn)換器的調(diào)制方案，直流鏈路電容和熱響應(yīng)。

本文將討論兩相電壓源逆變器的三種不同方案。此外，它將比較和分析所討論拓?fù)涞恼{(diào)制方案，調(diào)制比，電流應(yīng)力和直流母線電壓紋波。

圖1：目標(biāo)方案

圖1顯示了將在本文中討論的目標(biāo)方案。

這些方案分類為：

• 三足式配置
• 兩腳配置，帶分離式直流母線電容器
• 四腳配置，無零線

由于中性點電流比相電流高1.414倍，因此需要在兩腳配置中使用大型DC鏈路電容器來穩(wěn)定中性點電壓。另一方面，與兩腿配置相比，四腿配置具有更高的調(diào)制比，但是每增加一條腿都會增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。在四足拓?fù)渲惺褂玫膬上鄼C加工必須具有開放式繞組。三腳配置類似于常規(guī)的三相電壓源轉(zhuǎn)換器，但是在兩相配置中，第三腳的電流比其他兩個腳的電流高1.414倍。

為了優(yōu)化整體效率，總成本和功率密度，硅開關(guān)和寬帶隙器件之間存在競爭。盡管諸如GaN HEMT的寬帶隙器件已在許多電力電子應(yīng)用中廣泛采用，但高成本，高dV / dt和可靠性問題限制了它們在48 V電機驅(qū)動系統(tǒng)中的實現(xiàn)。2–5硅MOSFET模塊具有低成本，低雜散電感和良好的散熱能力的優(yōu)勢，這對于低成本48V電機驅(qū)動系統(tǒng)具有吸引力。6-8比較這兩個基于硅MOSFET模塊的功率轉(zhuǎn)換器具有更多功能。本文將討論設(shè)計兩相功率轉(zhuǎn)換器時的硅MOSFET模塊。

兩相功率轉(zhuǎn)換器的操作

圖1顯示了本文涵蓋的兩相電壓源的不同拓?fù)?。所有這些拓?fù)涠加胁煌恼{(diào)制方案，電流應(yīng)力和DC鏈路電容器要求。重要的是要考慮這些拓?fù)涞膬?yōu)缺點。

空間矢量脈沖調(diào)制通常集成在電機驅(qū)動系統(tǒng)中。所討論拓?fù)涞恼{(diào)制圖如圖2所示。當(dāng)參考電壓與多邊形相切時，可以達到最大相電壓幅值。

圖2：調(diào)制圖

在兩相系統(tǒng)中，中性點電流比相電流高1.414倍。這是因為與其他兩種拓?fù)湎啾?，三分支拓?fù)渲械碾娏鲬?yīng)力較高，因為第三分支用作中性線電流的返回路徑。在兩腳和四腳配置中，峰值相電流是開關(guān)的最大電流。但是，由于有第三支腳，三支腳配置中的電流應(yīng)力比峰值相電流高1.414倍。

為了分析直流母線電容器上的電壓紋波，假定在直流電壓源和直流母線電容器之間存在一個雜散電容器，如圖1所示。在大多數(shù)應(yīng)用中，直流母線之間存在合理的雜散電感電壓源和直流母線電容器。由于這種雜散電感，直流電壓源的輸入電流是恒定的。直流母線的輸出電流包含高頻脈動分量，該分量由SVPWM方案的開關(guān)模式確定。DC-link電容器的目的是吸收高頻電流紋波，并且DC-link電容應(yīng)足夠大以穩(wěn)定DC-link電壓。9（對于常規(guī)的三相轉(zhuǎn)換器，在參考文獻9中已充分研究了電壓紋波與DC鏈路電容之間的關(guān)系。）對于固定電壓，DC鏈路電壓與相電流成正比，與開關(guān)頻率成反比直流母線電容?？傮w而言，在相電流較大時需要使用高價值的直流母線電容器，以最大程度地減小電壓紋波。

設(shè)計過程

本節(jié)討論了6.8 kW三足功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)計。

柵極驅(qū)動器設(shè)計
自舉電路由于其簡單性和低成本而被用于基于MOSFET的功率轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動器中。圖5顯示了自舉柵極驅(qū)動器電路。在該電路中，電容器上的電壓受功率半導(dǎo)體上電壓降的影響，繼而使導(dǎo)通電壓不穩(wěn)定。此外，該電路不能提供安全關(guān)閉功率半導(dǎo)體所需的安全特性。上述問題使基于自舉電路的柵極驅(qū)動器的可靠性令人懷疑?？煽康臇艠O驅(qū)動器在電流密集型系統(tǒng)中至關(guān)重要。為此，未穩(wěn)壓的推挽轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生5V浮動電壓。為了開啟硅MOSFET，內(nèi)置了一個升壓轉(zhuǎn)換器以將浮動電壓提升至15V。

圖3：隔離式柵極驅(qū)動器

功率級設(shè)計
兩相三足轉(zhuǎn)換器的功率級中包含直流母線電容器和功率半導(dǎo)體。功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計選擇了硅MOSFET模塊FM 400TU-07A。10選擇的開關(guān)頻率為25 kHz，因此損耗不會太高。直流母線電容應(yīng)足夠大，以抑制直流母線上的電壓紋波。

控制級設(shè)計
轉(zhuǎn)換器的控制部分包括微控制器，傳感器和信號調(diào)節(jié)電路。具有成本效益的微控制器TMS320F280049C用于48 V兩相轉(zhuǎn)換器，因為它具有成本效益，并在100 MHz的CPU頻率下運行?；魻栯娏鱾鞲衅饔糜跍y量相電流。但是在大電流測量的情況下，霍爾效應(yīng)電流傳感器的磁芯占用了太多空間，因此導(dǎo)致尺寸增大。為了減小尺寸，實現(xiàn)了帶有隔離放大器的并聯(lián)電阻，用于測量相電流，如圖4所示。

圖4：相電流的測量

結(jié)論

本文詳細(xì)討論了48V兩相電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。在三種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中比較了由直流母線引起的電壓紋波。在分析了三種不同的拓?fù)渲?，選擇了三足式配置以詳細(xì)說明設(shè)計過程。設(shè)計過程詳細(xì)描述了柵極驅(qū)動器，電源和控制級的設(shè)計。經(jīng)過對所提出設(shè)計的實驗，波形和熱分布圖驗證了所提出系統(tǒng)的設(shè)計和可靠性。

參考文獻
1用于48V汽車應(yīng)用的6.8kW兩相轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。陳天宇，卡洛斯·卡塞多·納爾維斯，陳鵬遠(yuǎn)，阿米爾·帕薩普爾，巴巴克·法米米（Babak Fahimi）電氣和計算機工程，德克薩斯大學(xué)達拉斯分校，美國德克薩斯州理查森，美國

2?K. Shenai?！皩拵叮╓BG）半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的未來前景?！?IEEE Transactions on Electron Devices 62，No.2（2014）：248–257。

3?E. A. Jones，Z。Zhang和F. Wang。“增強型GaN FET的dV / dt瞬態(tài)分析?！?2017 IEEE應(yīng)用功率電子會議暨展覽會（APEC），第2692至2699頁。IEEE，2017年。

4陸俊杰和陳大同?！霸?0kW–100kW系統(tǒng)中并聯(lián)GaN E-HEMT?！?2017 IEEE應(yīng)用功率電子會議暨展覽會（APEC），第3,049–3,056頁。IEEE，2017年。

5?M. Tapajna，O。Hilt，E。Bahat-Treidel，J。Wurfl和J. Kuzmik?！霸谡蚱脩?yīng)力下，常關(guān)型p型GaN蓋/ AlGaN / GaN HEMT中的柵極可靠性研究。”?IEEE電子設(shè)備快報37，第4號（2016）：385–388。

6?O. Muhlfeld和FW Fuchs。“借助PEEC仿真，可以優(yōu)化三相MOSFET電源模塊中的雜散電感?！?2009年，第13屆歐洲電力電子與應(yīng)用會議，第1至7頁。IEEE，2009年。

7?B. Yang，J。Wang，S。Xu，J。Korec和ZJ Shen?！跋冗M的低壓功率MOSFET技術(shù)，用于封裝應(yīng)用中的電源?！?IEEE Transactions on Power Electronics 28，第9號（2012）：4,202–4,215。

8?Y. C. Gerstenmaier，A。Castellazzi和GKM Wachutka?！熬哂行滦退矐B(tài)熱模型和時變邊界條件的多芯片模塊的電熱仿真?！?IEEE Transactions on Power Electronics 21，第1號（2006）：45-5

9?T. Chen，S。Li和B. Fahimi?！皼]有電解電容器的電壓源逆變器中的直流鏈路電壓紋波分析?！?IECON 2018年第44屆IEEE工業(yè)電子學(xué)會年度會議，第1,041–1,048頁。IEEE，2018年10三菱電機?！?FM400TU-07A大功率開關(guān)使用絕緣封裝”，F(xiàn)M200TU-07A數(shù)據(jù)表，2006年5月。

編輯：hfy