使用脈寬調(diào)制 (PWM) 控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在逆變器中遇到高頻開(kāi)關(guān)損耗，而高頻電機(jī)損耗則與電流紋波相關(guān)。這意味著必須在系統(tǒng)級(jí)別上存在必須進(jìn)行研究的權(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。然而，其中大多數(shù)僅適用于絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 使用的頻率，通常高達(dá) 20 kHz。
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　　英飛凌采用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 寬帶隙 (WBG)開(kāi)關(guān)來(lái)研究較高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)逆變器和電機(jī)效率（高達(dá) 50 kHz）的影響。本文考慮了所使用方法的細(xì)節(jié)，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)由使用三個(gè)子板模塊實(shí)現(xiàn)的三個(gè)半橋組成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化并加速了不同交換技術(shù)的測(cè)試。該逆變器具有六個(gè)獨(dú)立的 55 mΩ 開(kāi)關(guān)，具有 TOLL 封裝器件選項(xiàng)中的 CoolGaN 600 V 增強(qiáng)模式功率晶體管和 CoolSiC 650 V，由 EiceDRIVER 2EDF7175F 雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
　　主板上隔離電源的低側(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)整。為了確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中功率開(kāi)關(guān)的控制，主板上的 XENSIV TLI4971 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)。
　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)充當(dāng)渦流制動(dòng)器，向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的繞組施加各種電流以修改軸扭矩。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。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　逆變器功率損耗
　　當(dāng)直流電轉(zhuǎn)換為交流電時(shí)，電機(jī)逆變器中會(huì)損失能量。這是由逆變器組件中的電阻損耗、電力電子器件中的開(kāi)關(guān)損耗以及無(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，并且與逆變器運(yùn)行時(shí)的逆變器開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)。

　　較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)由于發(fā)生更多的開(kāi)關(guān)事件而增加開(kāi)關(guān)損耗。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。終，為了確定特定電機(jī)逆變器設(shè)置的開(kāi)關(guān)頻率，需要進(jìn)行折衷。選擇幫助降低逆變器功率損耗的功率半導(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 下從到開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行的模擬功率損耗（使用 PLECS）。在較低頻率 (5-10 kHz) 下，SiC 開(kāi)關(guān)比 GaN 稍有優(yōu)勢(shì)。然而，在 20-50 kHz 范圍內(nèi)，與 SiC 相比，GaN 器件的功率損耗顯著降低。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 模擬了不同開(kāi)關(guān)器件在不同頻率下的逆變器損耗。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　電機(jī)功率損耗

　　本研究的重點(diǎn)是電機(jī)高頻損耗。使用連續(xù)低通濾波器的迭代過(guò)程將測(cè)量分為高頻和低頻分量。圖 3 顯示了辨別產(chǎn)生的電流測(cè)量結(jié)果。對(duì)于電壓，也應(yīng)用類(lèi)似的分離過(guò)程。

　　圖 3. 分離高頻和低頻電流。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　圖 4. 高頻電流分量。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　圖 4 顯示了執(zhí)行電流調(diào)節(jié)后的高頻相電流。正如預(yù)期的那樣，開(kāi)關(guān)頻率越高，電流紋波的幅度就越低，電流紋波的減小也有助于減少電機(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：
　　損
　　失
　　H
　　F
　　=
　　(
　　V
　　a
　　b
　　H
　　F
　　I
　　a
　　H
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　　+
　　V
　　b
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　　I
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　　+
　　V
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　　a
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　　I
　　c
　　H
　　F
　　+
　　V
　　a
　　b
　　H
　　F
　　I
　　b
　　H
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　　+
　　V
　　b
　　c
　　H
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　　I
　　c
　　H
　　F
　　+
　　V
　　c
　　a
　　H
　　F
　　I
　　a
　　H
　　F
　　)
　　/
　　3
　　圖 5 顯示了不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下不同開(kāi)關(guān)頻率下的高頻功率損耗，其中 \(|I|=\sqrt{I^{2}_sd7qcswsyzd+I^{2}_{q}} \）。900 rpm 和 50 kHz 時(shí)的高頻損耗太小而無(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。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)于相同速度和 50 kHz 開(kāi)關(guān)頻率，損耗僅為 2 W，相當(dāng)于節(jié)省了 10 W 功耗。
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　　圖 5. 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下的高頻損耗。圖片由博多電力系統(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，這可能是由于速度更快時(shí)磁體中的渦流增加所致。鐵損是隨速度變化的另一個(gè)特征，磁滯隨著電機(jī)速度的增加而增加，也會(huì)影響電機(jī)的功率損耗量。
　　整體系統(tǒng)損失
　　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實(shí)現(xiàn)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，運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)頻率為 20 kHz 時(shí)可實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)（電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于其輸出功率呈現(xiàn)損耗）在 1800 rpm 的標(biāo)稱(chēng)速度和 50% 額定負(fù)載 (1.1 kW) 下。
　　保持盡可能接近這一點(diǎn)的運(yùn)行對(duì)于限度地減少功耗至關(guān)重要。圖 6 證實(shí)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。這種選擇涉及到逆變器和電機(jī)中使用的設(shè)備技術(shù)的考慮。使用不同的開(kāi)關(guān)技術(shù)可以改變工作開(kāi)關(guān)頻率和系統(tǒng)所經(jīng)歷的功率損耗。
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　　圖 6. 確定總體系統(tǒng)損耗和工作點(diǎn)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　WBG 開(kāi)關(guān)器件總結(jié)
　　當(dāng)使用寬帶隙開(kāi)關(guān)器件時(shí)，以更高開(kāi)關(guān)頻率運(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。然而，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，電機(jī)高頻功率損耗在較高開(kāi)關(guān)頻率下會(huì)降低。然而，需要進(jìn)一步分析高開(kāi)關(guān)頻率和更快轉(zhuǎn)換（dv/dt、di/dt）下電機(jī)軸承和繞組壽命的影響。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 器件滿足未來(lái)效率需求的潛力。此外，未來(lái)的電機(jī)設(shè)計(jì)還應(yīng)有助于解決與較高開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的問(wèn)題（例如，軸承和繞組的磨損等）。