使用脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的電機驅(qū)動系統(tǒng)在逆變器中會遇到高頻開關(guān)損耗,而高頻電機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。為了了解這些電機損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系,進行了不同的研究。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),將仿真和實驗方法相結(jié)合,研究了較高開關(guān)頻率對逆變器和電機效率(高達50 kHz)的影響。本文詳細介紹了所使用的方法,并討論了模擬和實驗測試的結(jié)果。
測試和測量設(shè)置
逆變器設(shè)計由三個半橋組成,使用三個子板模塊實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是簡化并加快了不同開關(guān)技術(shù)的測試。該逆變器具有六個獨立的 55 mΩ 開關(guān),采用 CoolGaN 600 V 增強模式功率晶體管和 CoolSiC 650 V 的 TOLL 封裝器件選項,由 EiceDRIVER 2EDF7175F 雙通道柵極驅(qū)動器驅(qū)動。
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)進行調(diào)節(jié)。為了確保對電機驅(qū)動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(PMSM)速度執(zhí)行磁場定向控制(FOC)。
- 表 1. 永磁同步電機參數(shù)*
參數(shù) | BSM33C-6177MHQ |
---|---|
電壓 | 320 V |
當前 | 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)電機充當渦流制動器,將各種電流施加到感應(yīng)電機的繞組上,以改變軸扭矩。使用感應(yīng)電機制動器還可以確保平穩(wěn)的負載扭矩,同時防止齒槽效應(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 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*
逆變器功率損耗
當直流電轉(zhuǎn)換為交流電時,電機逆變器中的能量會損失。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)計和規(guī)格,并與逆變器運行的逆變器的開關(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)化電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率非常重要。最終,為了確定特定電機逆變器設(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)化電機驅(qū)動系統(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 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*
電機功率損耗
在這項研究中,重點是電機高頻損耗。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 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*
* 圖4. 高頻電流分量。圖片由 Bodo 的動力系統(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中的能量損失。
高頻運行時的電機功率損耗
電機驅(qū)動器中的高頻功率損耗可以使用以下公式計算:
LossessHF=(VabHFIaHF+VbcHFIbHF+VcaHFIcHF+VabHFIbHF+VbcHFIcHF+VcaHFIaHF)/3
不同電機轉(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} b0jtwze+I^{2} {q}}).900 rpm 和 50 kHz 時的高頻損耗太小,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。對于該工作點,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 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]
* 圖5. 各種電機轉(zhuǎn)速下的高頻損耗。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*
另一個關(guān)鍵結(jié)果是高頻損耗取決于電機的轉(zhuǎn)速,可能是由于磁體中的渦流在更快的速度下增加。鐵損是另一個隨速度變化的特征,磁滯隨著電機速度的增加而上升,也會影響電機的功率損耗量。
整體系統(tǒng)損耗
負載、速度和溫度等參數(shù)會影響電機驅(qū)動系統(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運行效率。對高頻電機和逆變器損耗組合的分析(圖6)表明,當以1800 rpm的標稱轉(zhuǎn)速和50%額定負載(1.1 kW)運行時,在20 kHz的開關(guān)頻率下實現(xiàn)了最佳工作點(電機驅(qū)動系統(tǒng)相對于其輸出功率的損耗最低)。
保持盡可能接近該點的操作對于最大限度地降低功耗至關(guān)重要。圖6確認,工作開關(guān)頻率的選擇需要在系統(tǒng)級進行評估。這種選擇涉及考慮逆變器和電機中使用的設(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 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]
* 圖6. 確定整體系統(tǒng)損耗和最佳工作點。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*
世界銀行集團開關(guān)器件摘要
當使用寬帶隙開關(guān)器件時,在較高開關(guān)頻率下運行的電機驅(qū)動系統(tǒng)可以提供更高的整體系統(tǒng)效率。但是,由于逆變器和電機損耗之間的折衷,應(yīng)仔細選擇開關(guān)頻率。
實驗結(jié)果表明,在較高的開關(guān)頻率下,電機高頻功率損耗降低。但是,需要進一步分析電機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一步研究。
新的電機設(shè)計必須考慮WBG設(shè)備的潛力,以滿足未來的效率需求。此外,未來的電機設(shè)計還應(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)。
-
逆變器
+關(guān)注
關(guān)注
280文章
4642瀏覽量
205598 -
電機
+關(guān)注
關(guān)注
141文章
8835瀏覽量
144596 -
晶體管
+關(guān)注
關(guān)注
77文章
9582瀏覽量
137467 -
開關(guān)頻率
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
87瀏覽量
21378
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論