高開關(guān)頻率對電機驅(qū)動系統(tǒng)的影響

以下文章來源于電源設(shè)計實戰(zhàn)派，作者小張

硅和寬帶隙 (WBG) 半導體的進步徹底改變了電源轉(zhuǎn)換器，使逆變器能夠以高達幾百千赫茲甚至兆赫茲的頻率運行，同時大幅降低動態(tài)損耗。單從電動機來看，更高的開關(guān)頻率可以提高電動機效率、減少扭矩波動并改善控制響應(yīng)。

然而，要了解增加開關(guān)頻率對電機驅(qū)動系統(tǒng)的影響，必須考慮逆變器和電機之間復雜的相互作用。本文將研究兩種電機驅(qū)動系統(tǒng)（一種帶有定子鐵芯，一種不帶有定子鐵芯）在不同條件下的運行情況。通過比較分析，可以深入了解它們在整個運行范圍內(nèi)的性能。

電動發(fā)電機測試平臺

兩種不同的設(shè)置用于探索電機驅(qū)動器中高開關(guān)頻率的優(yōu)勢。第一個電機發(fā)電機平臺基于電鉆電機，而第二個平臺采用無芯電機。

兩款電機的規(guī)格如下表所示：

兩種設(shè)置（圖 1）均由使用英飛凌 100-V 4-mΩ OptiMOS 硅技術(shù)構(gòu)建的三相逆變器驅(qū)動。使用兩個XMC 4400驅(qū)動卡實現(xiàn)傳感器磁場定向控制，分別以速度和扭矩控制模式控制電機和發(fā)電機逆變器。此設(shè)置使我們能夠評估不同功率水平下的電機驅(qū)動器。

圖 1：帶和不帶定子鐵芯的 48 V 電動發(fā)電機測試裝置（來源：Kempitiya 等，2024 年）

自動測試序列

當以下四個參數(shù)發(fā)生變化時，采用自動化測試程序進行全面分析：

電機轉(zhuǎn)速

扭矩

逆變器開關(guān)頻率

死區(qū)時間

圖 2 顯示了獲得的波形，該波形適用于具有定子鐵心的兩個不同的逆變器開關(guān)頻率（20 kHz 和 100 kHz）和兩個死區(qū)時間（25 ns 和 100 ns）的電機，同時保持恒定的 2,000 kRPM 電機速度。

圖 2：帶定子鐵芯的電機自動測試程序產(chǎn)生的波形（來源：Kempitiya 等，2024 年）

為了在整個測試過程中保持一致的電機繞組溫度并減輕溫度變化對測試結(jié)果的影響，在每個扭矩曲線步驟之后都安排了一段休息時間。在整個測試過程中，逆變器、電機和系統(tǒng)效率在各種條件下進行測量并進行分析，以了解電機驅(qū)動系統(tǒng)的行為。

測量結(jié)果

逆變器效率

結(jié)果顯示了兩個測試平臺的逆變器效率曲線。比較這兩個系統(tǒng)時，無鐵芯電機系統(tǒng)的有效功率因數(shù)更高，從而導致逆變器效率更高。

對于高負載條件下逆變器總功率損耗約為 20 W 的情況，無芯系統(tǒng)可分別在電機轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 和 6 kRPM 時產(chǎn)生 2.3 倍至 2.6 倍的逆變器輸出功率。

電機效率

更高的開關(guān)頻率也對兩種系統(tǒng)的電機效率產(chǎn)生了積極影響。這種改進主要歸因于更高開關(guān)頻率下磁滯和諧波損耗的減少。

無芯系統(tǒng)尤其表現(xiàn)出顯著的電機效率提升，因為沒有磁滯損耗，諧波損耗成為主導因素。有趣的是，盡管無芯系統(tǒng)的電機繞組時間常數(shù)大約高出 10 倍，但產(chǎn)生的諧波相關(guān)電機損耗卻更多。

例如，在電機轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 時，無芯電機產(chǎn)生的損耗是其 2.1 倍，而等效逆變器輸出功率約為 220 W。盡管如此，趨勢表明，隨著開關(guān)頻率的增加，無芯系統(tǒng)中的電機效率會顯著提高。

系統(tǒng)效率

系統(tǒng)效率曲線突出表明，與使用GaN和 OptiMOS 的系統(tǒng)不同，隨著開關(guān)頻率的增加，逆變器效率下降更為顯著。盡管電機效率在所有速度下都有所提高，但這種提高往往無法抵消系統(tǒng)中帶有核心的逆變器效率損失。唯一的例外發(fā)生在較低功率水平和 6kRPM 的電機速度下，此時系統(tǒng)效率在更高的開關(guān)頻率下有所提高。

對于無芯系統(tǒng)，系統(tǒng)效率在所有速度下均有所提高，在更高的開關(guān)頻率下運行時，效率可提高約 10%。與電機效率類似，系統(tǒng)功率損耗在所有速度下都較高，但在 2kRPM 時除外，此時無芯系統(tǒng)可以產(chǎn)生 1.1 倍以上的逆變器輸出功率，而等效系統(tǒng)功率損耗約為 39W。

討論

這項研究的結(jié)果為高開關(guān)頻率下電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率和性能提供了一些實用見解。其中一個關(guān)鍵結(jié)論是無芯系統(tǒng)的效率顯著提高，這得益于其更高的功率因數(shù)。逆變器效率的提高，特別是在高負載條件下，表明無芯電機在最大化功率輸出至關(guān)重要的應(yīng)用中可能具有極大的優(yōu)勢。

此外，結(jié)果證實，更高的開關(guān)頻率可以有效降低電機損耗，尤其是諧波損耗，從而提高系統(tǒng)整體效率。這在無芯系統(tǒng)中尤為明顯，因為沒有磁滯損耗，因此可以更清楚地觀察到降低諧波損耗的好處。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了 WBG 半導體（例如無芯系統(tǒng)中使用的半導體）作為高頻逆變器的理想選擇的潛力。

有趣的是，電機和系統(tǒng)功率損耗之間的比較揭示了對不同速度和開關(guān)頻率下電機性能的細微理解。與傳統(tǒng)觀點相反，該研究表明，具有較低 L/R 時間常數(shù)的電機（例如無芯電機）更適合特定開關(guān)頻率下的較低電機速度。這與普遍接受的信念大相徑庭，即無芯電機由于其固有的較低電感和較高電阻，在較高速度下性能更好。相比之下，具有鐵芯和較高 L/R 比的電機在較高速度下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其中諧波損耗的減少變得更加明顯。