高開關(guān)頻率對逆變器和電機(jī)效率的影響

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）開關(guān)，將仿真和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，研究了較高開關(guān)頻率對逆變器和電機(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)測試的結(jié)果。

測試和測量設(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)是簡化并加快了不同開關(guān)技術(shù)的測試。該逆變器具有六個(gè)獨(dú)立的 55 mΩ 開關(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)。

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

• 表 1. 永磁同步電機(jī)參數(shù)*

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)。

用于評估WBG開關(guān)器件影響的電路板和測試設(shè)置如圖1所示。

* 圖1. 測試板和測量設(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)備中的開關(guān)損耗和無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)行的逆變器的開關(guān)頻率直接相關(guān)。

由于發(fā)生更多的開關(guān)事件，開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越高。因此，選擇合適的逆變器開關(guān)頻率對于優(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 功率開關(guān)器件在 320 V 和 8 A 下從最低到最高開關(guān)頻率的仿真功率損耗（使用 PLECS）。在較低頻率（5-10 kHz）下，SiC開關(guān)比GaN略有優(yōu)勢。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程完成的。圖3顯示了由辨別產(chǎn)生的電流測量結(jié)果。對于電壓，也應(yīng)用了類似的分離過程。

* 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)速下不同開關(guān)頻率下的高頻功率損耗如圖5所示，其中（|I|=sqrt{I^{2} 08m0k0c+I^{2} {q}}）.900 rpm 和 50 kHz 時(shí)的高頻損耗太小，無法顯示。

結(jié)果表明，開關(guān)頻率對高頻電機(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)。對于該工作點(diǎn)，損耗約為12 W，而對于相同的速度和50 kHz開關(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]

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* 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)的操作對于最大限度地降低功耗至關(guān)重要。圖6確認(rèn)，工作開關(guān)頻率的選擇需要在系統(tǒng)級進(jìn)行評估。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)。使用不同的開關(guān)技術(shù)可以改變最佳工作開關(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)開關(guān)器件摘要

當(dāng)使用寬帶隙開關(guān)器件時(shí)，在較高開關(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)選擇開關(guān)頻率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高的開關(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，較高開關(guān)頻率對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，以滿足未來的效率需求。此外，未來的電機(jī)設(shè)計(jì)還應(yīng)有助于解決與更高開關(guān)頻率相關(guān)的問題（例如，軸承和繞組的磨損等）。