開關(guān)頻率對(duì)直流母線電容器的影響

最近的研究表明，減少死區(qū)時(shí)間和增加開關(guān)頻率可以提高電機(jī)效率。
高開關(guān)頻率電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器只需陶瓷電容器即可優(yōu)化直流母線所需的電容，從而減小轉(zhuǎn)換器的整體尺寸。此外，由于布局中的低電感直流母線陶瓷電容器和低電感分布，良好的布局允許額外移除靠近開關(guān)電池的去耦電容器。

進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以證明先前使用無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制技術(shù)操作永磁電機(jī)的陳述。

測(cè)試的氮化鎵電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器使用分立式FET和單片集成電路，這是通過(guò)氮化鎵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

開關(guān)頻率對(duì)直流母線電容器的影響

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的直流母線電容器主要用于最小化電源電壓的波動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中使用的直流母線電容器主要有兩種類型是電解電容器和陶瓷電容器。電解電容器的單位電容成本低于陶瓷電容器，但物理尺寸更大，等效串聯(lián)電阻和電感 （ESL） 更高。電解電容器通常根據(jù)它們可以承載的RMS紋波電流進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于GaN FET的逆變器的工作開關(guān)頻率高于基于硅MOSFET的逆變器，因此可以僅在直流母線上使用陶瓷電容器。陶瓷電容器的尺寸基于紋波電壓要求，紋波電壓要求與轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率成反比，從而在增加開關(guān)頻率時(shí)按比例降低所需的總電容。較少數(shù)量的直流鏈路電容器降低了逆變器的總成本和體積。

* 圖1. 直流母線上使用陶瓷電容器的三個(gè)逆變器的直流母線上的電壓紋波與PWM開關(guān)頻率的關(guān)系。90 μF逆變器上100 kHz時(shí)的電壓紋波略低于工作在20 kHz下的360 μF逆變器的電壓紋波，顯示了提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器PWM頻率的好處。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

陶瓷電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其固有的低寄生電感（ESL）。良好的布局和低ESL使其成為低電感電壓源，這是開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵因素。

如圖1所示，當(dāng)以較高的PWM頻率進(jìn)行開關(guān)時(shí)，由陶瓷電容器制成的直流母線的紋波電壓效率很明顯。這表明，使用90 μF逆變器以100 kHz開關(guān)的電壓紋波低于在20 kHz下工作頻率為360 μF電容的逆變器的電壓紋波。

開關(guān)轉(zhuǎn)換測(cè)量和開關(guān)單元優(yōu)化

當(dāng)今功率轉(zhuǎn)換器的基本構(gòu)建模塊是開關(guān)單元，它由兩個(gè)晶體管組成，它們以級(jí)聯(lián)方式放置在直流總線的端子上，形成一個(gè)電源環(huán)路。PCB上的走線、過(guò)孔以及元件與PCB的所有連接都會(huì)在開關(guān)單元中引入寄生電感。

電源環(huán)路電感可以建模為開關(guān)單元端子與直流母線電壓之間存在的寄生電感[3]。電源環(huán)路負(fù)責(zé)硬開關(guān)轉(zhuǎn)換后振鈴，這可能會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)壓并出現(xiàn) EMI 問(wèn)題。用于最小化電源環(huán)路電感的最常用方法是將去耦陶瓷電容器電放置在每個(gè)開關(guān)電池的晶體管附近。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，開關(guān)轉(zhuǎn)換壓擺率通常保持在較低水平，dv/dt 低于 10 V/ns。與高壓擺率轉(zhuǎn)換相比，慢速轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的振鈴更少，并且需要靠近開關(guān)電池的去耦電容更少。憑借良好的PCB布局，直流母線陶瓷電容器可以為開關(guān)電池提供低電感連接。

作為實(shí)驗(yàn)評(píng)估，對(duì)兩塊EPC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器板進(jìn)行了測(cè)試;EPC9145 [4] 使用分立式 EPC2206 [5] GaN FET，EPC9173 [6] 使用EPC23101 [7] 單片集成柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET GaN IC。

EPC9145電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器配備了一個(gè)由陶瓷電容器組成的大容量直流母線和兩個(gè)同樣由陶瓷電容器組成的開關(guān)電池去耦電容器。第一塊板配備9個(gè)220 nF高頻環(huán)路去耦電容和16個(gè)1 μF中頻去耦電容，而第二塊板沒有去耦電容，僅使用大容量直流母線電容工作。

逆變器以 100 kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行，并以 50 A 峰值正弦電流驅(qū)動(dòng)具有磁場(chǎng)定向控制的永磁電機(jī)。

圖2中的波形顯示了在50 A正相電流和負(fù)相電流下測(cè)量的上升和下降轉(zhuǎn)換。去耦電容后，上升轉(zhuǎn)換的差異被認(rèn)為很小，對(duì)逆變器操作的影響很小。下降的過(guò)渡差異幾乎可以忽略不計(jì)。在未配備去耦電容器的逆變器的情況下，過(guò)沖永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)總線電壓的25%。

* 圖2. 顯示以100 kHz運(yùn)行的逆變器的正相電流和負(fù)相電流下測(cè)量的上升和下降轉(zhuǎn)換的波形，用于驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。藍(lán)色波形是配備許多去耦電容器的逆變器。紅色波形是沒有任何去耦電容的逆變器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

使用基于EPC9173 GaN IC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)。單片GaN功率IC將柵極驅(qū)動(dòng)器和功率FET集成到同一芯片上，有效地消除了共源電感（CSI）[3]，簡(jiǎn)化了開關(guān)電池的布局，并將寄生環(huán)路電感保持在最低水平。

基于集成電路的逆變器在正和負(fù)50 A峰值電流下測(cè)量的開關(guān)轉(zhuǎn)換波形如圖3所示。

* 圖3. 在基于集成電路的逆變器上以正負(fù)50 A峰值電流測(cè)量開關(guān)轉(zhuǎn)換波形。藍(lán)色波形是配備許多去耦電容器的逆變器。紅色波形是沒有任何去耦電容的逆變器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

單片式集成GaN功率IC最大限度地降低了半橋開關(guān)單元中的共源寄生電感，從而減少了對(duì)外部去耦電容器的需求，包括基于分立GaN FET的逆變器。

電容器類型對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的影響

當(dāng)平面交錯(cuò)以消除返回電流磁通量時(shí)，用于直流母線的陶瓷電容器可以產(chǎn)生與PCB上的開關(guān)轉(zhuǎn)換器單元的低電感連接，覆蓋大面積，并在電容器的內(nèi)部連接附近施加過(guò)孔。

在兩個(gè)裝有不同直流母線電容器類型的GaN FET逆變器之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)逆變器配備了2個(gè)47 μF SMD電解電容，開關(guān)電池上沒有去耦電容。第二個(gè)逆變器配備了9x 10 μF多層陶瓷電容器。選擇電容值以產(chǎn)生相似的標(biāo)稱直流母線電容。

圖4顯示了在50 A峰值正相和負(fù)相電流下工作的兩個(gè)逆變器的上升轉(zhuǎn)換的測(cè)量波形。配備陶瓷電容器的逆變器幾乎沒有電壓過(guò)沖和振鈴，在50 ns內(nèi)衰減。配備電解電容器的逆變器會(huì)經(jīng)歷持續(xù)數(shù)百納秒的顯著電壓過(guò)沖和振鈴。

* 圖4. 使用90 μF直流母線陶瓷和電解電容器在50 A峰值正負(fù)相電流下工作的逆變器上升轉(zhuǎn)換的測(cè)量波形。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

根據(jù)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，很明顯，在試圖消除開關(guān)電池的陶瓷去耦電容器時(shí)，電解電容器不是基于GaN FET和IC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的好選擇。實(shí)驗(yàn)中使用的電解電容器是低ESL和低ESR電容器，仍然不足以滿足應(yīng)用需求。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路的要點(diǎn)

GaN FET和IC可以有效地用于設(shè)計(jì)優(yōu)化和高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器。

由于GaN器件具有優(yōu)異的開關(guān)性能，因此可以通過(guò)減少元件數(shù)量來(lái)優(yōu)化使用這些器件的逆變器，從而比基于較低頻率MOSFET的逆變器減小逆變器的整體體積。以更高的頻率開關(guān)允許在直流母線中使用純陶瓷電容器，這不僅減小了輸入濾波器的體積，而且提供了去除開關(guān)電池上的高頻去耦電容器的選項(xiàng)。

優(yōu)化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)GaN逆變器具有90 μF直流鏈路陶瓷電容器，沒有任何去耦電容器，工作頻率為100 kHz，可以平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)峰值正弦相電流為50 A的永磁電機(jī)。