基于SiC MOSFET的永磁同步高速电机驱动平台研发随着电动汽车的飞速发展,电动汽车驱动系统向着高速、高效、高压、高功率密度方向发展。

由于国内电动汽车驱动主要使用永磁同步高速电机,电动汽车驱动的发展,一方面推动永磁同步电机的发展,另一方面也对电机驱动有了更高的要求。

随着电动汽车驱动系统效率、功率密度、母线电压、驱动电机转速的提高,对电机驱动的开关损耗、开关频率、耐高温工作能力、电压应力有了更高的要求,目前大多电机驱动器使用的主流的Si IGBT功率器件,已越来越难以满足需求。

而新型宽禁带半导体碳化硅功率器件具有开关速度快、开关损耗低、导通损耗低、阻断电压高、耐高温等优势,在永磁同步高速电机应用上有无可替代的优势。

随着碳化硅材料制造工艺的进步与发展,碳化硅功率器件的电气性能在不断优化,所以碳化硅功率器件在永磁同步高速电机驱动的应用方面的研究有了较强的实际应用价值。

碳化硅功率器件在电气性能上具有许多优势,但是其应用在电机驱动上仍然存在许多问题要解决。

本文分析了SiC MOSFET应用于高速电机驱动上的三个常见问题,一是开关速度的提高,换流回路寄生电感会带来漏源电压过冲与振荡等问题,文章通过主电路换流回路建模分析漏源电压振荡产生原因,提出漏源电压过冲与振荡的抑制方法并通过实验验证了抑制方案的可行性;二是控制闭环刷新频率的提高,对控制平台与控制算法要求提高,文章通过硬件升级与程序改进两个方面来提高控制频率;第三个也是最主要的问题,SiC MOSFET应用时的容易产生桥臂串扰与栅源电压振荡。

与传统的Si IGBT不同,SiC MOSFET功率器件由于开关速度大幅提升,开关瞬间漏源间会产生很高的电压变化率,从而使桥臂串扰与栅源电压振荡问题
凸显出来。

本文首先分阶段描述了串扰与栅源电压振荡产生的过程。

其次通过建模,在频域分析串扰与栅源电压振荡产生的原因。

然后提出了一种基于推挽式电容辅助电路(push-pull capacitance based auxiliary circuit,PPCAC)的抑制桥臂串扰与栅源电压振荡的门极驱动方案,通过分阶段分析PPCAC门极驱动方案工作过程。

然后在建立PPCAC门极驱动方案模型的基础上,在频域分析方案的可行性,在时域中分析计算并选取合适的器件参数。

然后,通过LTspice对提出的门极驱动进行连续仿真实验。

最后,本文对提出的门极驱动方案进行了不同电压不同电流情况下的双脉冲实验验证,证实了提出驱动方案的有效性。

本文最后完成了永磁同步高速电机驱动平台的设计,本文设计的电机驱动系统可以实现定子线电流、定子线电压、母线电压采样并提供母线泵生电压过压保护,旋转变压器速度解码获取,轴伸与非轴伸端轴承温度、绕组温度获取与过温保护,短路保护,保证电机与电机驱动安全运行。

通过双脉冲实验对短路、过流保护进行了实验验证,证实了保护设计的可靠性。

并通过实验对阻感负载与永磁同步高速电机负载进行连续实验验证。