基于SiC器件的感應(yīng)電機驅(qū)動器設(shè)計及性能分析

何澤宇，劉鑫，劉洋，趙金

（華中科技大學(xué)人工智能與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

電力電子功率半導(dǎo)體器件是電機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，是決定其性能和可靠性的關(guān)鍵因素之一。目前電機驅(qū)動器所普遍采用的傳統(tǒng)硅器件，其開關(guān)速度、開關(guān)損耗等性能已經(jīng)接近其材料允許的極限。近年來，以碳化硅（silicon carbide，SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體器件得到了迅速發(fā)展。相比于傳統(tǒng)硅器件，SiC器件具有高耐溫、高耐壓、高開關(guān)頻率等特點，擁有巨大的應(yīng)用前景[1-2]。但在具體應(yīng)用中，仍然在驅(qū)動、保護和控制方面存在一些問題，是目前的研究熱點。

SiC器件應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高開關(guān)頻率，間接提高了系統(tǒng)的控制頻率，由此可以提高電流環(huán)的控制性能。SiC器件與IGBT等器件的開關(guān)特性、驅(qū)動以及性能測試方面存在較大不同。文獻[3-4]對SiC器件的建模進行研究，建立了考慮寄生參數(shù)因素的SiC器件暫態(tài)模型；文獻[5-6]對SiC的雙脈沖測試進行研究，從寄生參數(shù)、測量儀器和測量方法等方面總結(jié)了SiC器件雙脈沖測試的特點與方法；文獻[7-8]對SiC器件的驅(qū)動電路進行研究，分析和驗證了不同驅(qū)動回路參數(shù)對SiC器件開關(guān)過程的影響；文獻[9]對SiC器件的短路特性進行研究，分析了SiC器件的短路故障機理，確定了SiC器件的短路安全工作區(qū)。雖然已有大量文獻對SiC器件應(yīng)用進行了研究，但對于實際電機驅(qū)動系統(tǒng)中SiC對電機電流環(huán)性能提升缺乏定量分析和比較。

電流環(huán)控制性能在感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，電流環(huán)控制性能的提高可以提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，降低轉(zhuǎn)矩脈動，從而提升電機系統(tǒng)的控制精度[10]。電流環(huán)帶寬制約因素主要包括逆變器的開關(guān)頻率以及A/D采樣延時、計算處理延時和PWM更新延時在內(nèi)的數(shù)字延時[11]。文獻[11]通過改進電流采樣與PWM更新時序，在1個載波周期內(nèi)實現(xiàn)2次電流采樣和PWM占空比更新，縮短了電流環(huán)控制周期，提高了電流環(huán)動態(tài)響應(yīng)能力。文獻[12]利用FPGA的邏輯運算與數(shù)字計算能力，縮短了采樣運算的數(shù)字延時并實現(xiàn)了采樣運算后PWM占空比的即時更新，使系統(tǒng)延時接近理論最小，實現(xiàn)了電流環(huán)帶寬擴展。但是以上文獻均是在不改變開關(guān)頻率的前提下對電流環(huán)帶寬進行擴展。

本文首先從理論上分析了系統(tǒng)延時對電機電流環(huán)控制性能的影響，指出了PWM頻率提升對系統(tǒng)性能的改善。進一步，采用CREE公司CCS050M12CM2型號SiC器件作為核心功率器件，以TMS320F28M35作為主控制器，設(shè)計和研制了基于SiC MOSFET的感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)，可以將開關(guān)頻率由傳統(tǒng)硅器件的10 kHz提升至60 kHz以上。最后，在不同開關(guān)頻率下對系統(tǒng)電流環(huán)控制性能進行了實驗驗證，對實驗結(jié)果進行了對比與分析，得出了實驗結(jié)論。

1 電流環(huán)帶寬特性分析

對于電壓型逆變器控制的感應(yīng)電機，有：

式中：Rs為定子電阻；Ls為定子電感；σ為漏感系數(shù)；ωs為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角速度；isd，isq為d，q軸定子電流；usd，usq為d，q軸定子電壓；Ψrd，Ψrq為d，q軸轉(zhuǎn)子磁通。

在轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中，Ψrq為0，若把式（1）中的d，q軸交叉耦合部分看作擾動，在低速下電流環(huán)控制對象方程可簡化為

圖1 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Control structure diagram of current loop

為了消除大慣性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的延時影響，提高電流環(huán)的響應(yīng)能力，取T=Ls/Rs，T為電機電樞回路時間常數(shù)；K=1/Rs，K為電機電樞回路的增益系數(shù)，工程上一般取阻尼系數(shù)為0.707，整定后有：

由此系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

將系統(tǒng)幅頻特性下降到-3 dB時所對應(yīng)的頻率與相頻特性滯后45°時所對應(yīng)的頻率相比，其中較低的為系統(tǒng)的截止頻率，即電流環(huán)的帶寬。利用Matlab求解式（4）傳遞函數(shù)在不同Tp參數(shù)下的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并由此求得如圖2所示幅值衰減-3 dB以及相位滯后45°時的截止頻率變化曲線。

根據(jù)圖2可知，相位滯后45°的截止頻率和幅值衰減-3 dB的截止頻率均與Tp成近似反比，并且本系統(tǒng)的帶寬ωcb應(yīng)取較低的相位滯后45°對應(yīng)的截止頻率。由此，增大開關(guān)頻率會提高系統(tǒng)截止頻率，從而實現(xiàn)更好的電流動態(tài)調(diào)節(jié)。

圖2 帶寬變化曲線Fig.2 Bandwidth variation curves

對于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高、電流頻率增加時，d，q軸耦合加深，從而導(dǎo)致d，q軸電流環(huán)控制性能下降[13-14]。通過提高電機驅(qū)動器的開關(guān)頻率，可以顯著提高電流環(huán)的帶寬，從而增加電機電流環(huán)控制的帶寬裕度，滿足電機在高速下的電流環(huán)控制性能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電機控制算法

目前感應(yīng)電機高性能控制領(lǐng)域較為成熟的控制方法主要包括基于動態(tài)模型的矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制，在兩種基本的電機動態(tài)模型控制方法的基礎(chǔ)上，采用解耦后的線性控制、非線性控制以及智能控制等方法可以構(gòu)成高性能的控制系統(tǒng)[15]。

本文主要針對SiC器件對交流電機驅(qū)動器的性能影響進行研究，為了突出SiC功率器件高開關(guān)頻率的特點，忽略復(fù)雜控制算法本身的變化因素對性能的影響，采用成熟的基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制算法作為控制方案，這也是目前主流感應(yīng)電機驅(qū)動產(chǎn)品的控制方案，其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文著重研究電機控制系統(tǒng)中電流環(huán)的控制性能。

圖3 感應(yīng)電機矢量控制框圖Fig.3 Control block diagram of induction motor vector

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于SiC器件的感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括控制電路、驅(qū)動電路、功率電路以及傳感器。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of control system

系統(tǒng)器件選型如表1所示。主控制器采用TI公司TMS320F28M35雙核控制器，包含Cortex-M3以及C28內(nèi)核。其中，M3內(nèi)核包含豐富的通信外設(shè)接口，用于PC端調(diào)試、通信以及人機交互；C28內(nèi)核包含浮點數(shù)運算單元等運算引擎以及電機控制所需的ADC，QEP，PWM等接口，用于電機的高性能閉環(huán)控制。主控器件DSP內(nèi)核運行速度高達150 MHz，A/D采樣速率最快可達3.5 Msps，可以在15 μs內(nèi)實現(xiàn)采樣與閉環(huán)控制，從而滿足最高達60 kHz的控制與開關(guān)頻率要求。驅(qū)動芯片采用AVAGO公司的三代半導(dǎo)體器件專用驅(qū)動芯片ACPL-352J，該芯片具備光耦隔離和器件驅(qū)動的功能，驅(qū)動電流高達5 A，傳輸延時低于150 ns，同時具備短路故障輸出和保護的功能。功率器件采用CREE公司的CCS050M12CM2三相全橋模塊，該模塊為全SiC功率器件，額定電壓1 200 V，額定電流50 A。

表1 核心部件選型Tab.1 Component selection

3 SiC MOSFET驅(qū)動設(shè)計與測試

3.1 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路是功率變換器的重要組成部分，直接決定了功率變換器的性能。以ACPL-352J為核心的驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SiC MOSFET驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of SiC MOSFET drive circuit

隔離驅(qū)動芯片外圍電路如圖6所示。其中VOUTP與VOUTN管腳分別用于提供開通和關(guān)斷時的驅(qū)動電流，OC管腳用于過流/短路保護，SS管腳用于短路保護軟關(guān)斷。

圖6 ACPL-352J外圍電路Fig.6 The peripheral circuit of the ACPL-352J

3.2 雙脈沖測試

為了測試SiC器件以及相應(yīng)驅(qū)動電路的工作性能和相關(guān)指標(biāo)，搭建如圖7所示雙脈沖測試電路。通過雙脈沖實驗對SiC器件的開通、關(guān)斷過程進行分析，并以此確定開通與關(guān)斷電阻的阻值。

圖7 雙脈沖測試電路Fig.7 The double?pulse test circuit

在雙脈沖測試中，上管關(guān)斷，下管進行2次脈沖開關(guān)過程，為負載電感L充電。測試中，母線電壓設(shè)置為400 V，目標(biāo)電流為50 A，2次脈沖總寬度設(shè)置為30 μs，計算得負載電感L約為250 μH。母線電容設(shè)計為840 μF，滿足電容容值要求，保證母線電壓波動小于1%。雙脈沖實驗波形如圖8所示。

圖8 雙脈沖測試波形Fig.8 The double-pulse test waveforms

為了在實際工況下選擇合適的開通與關(guān)斷電阻，選取不同開通與關(guān)斷電阻進行雙脈沖測試，開通、關(guān)斷過程的各項參數(shù)如圖9和圖10所示。

圖9 雙脈沖測試開通過程參數(shù)Fig.9 The parameters of turn?on transient state for double?pulse test

圖10 雙脈沖測試關(guān)斷過程參數(shù)Fig.10 The parameters of turn?off transient state for double?pulse test

根據(jù)上述實驗，SiC MOSFET的開關(guān)速度與開關(guān)過程的過沖存在矛盾。在開通過程中，隨著開通電阻的減小，開通速度逐漸增大，但是電流以及電壓過沖增大較為明顯；在關(guān)斷過程中，隨著關(guān)斷電阻的減小，關(guān)斷速度逐漸增大，但是電壓過沖增大明顯。結(jié)合實際控制系統(tǒng)，選取開通電阻為43 Ω，關(guān)斷電阻為20 Ω。

4 物理實驗

為了驗證本文所述電機驅(qū)動器的工作性能，搭建如圖11所示電機控制系統(tǒng)實驗平臺，并著重對電流環(huán)控制性能進行了測試。實驗平臺中，母線電壓設(shè)為530 V，感應(yīng)電機額定電壓280 V，額定功率2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖11 SiC驅(qū)動器物理實驗平臺Fig.11 SiC-based inverter experimental platform

為了測試驅(qū)動器在不同工作條件下的電流環(huán)控制性能，分別在開關(guān)頻率10 kHz，13 kHz，20 kHz，40 kHz（對應(yīng) Tp為 100 μs，75 μs，50 μs，25 μs）以及轉(zhuǎn)速0 r/min，3 000 r/min下對裝置進行電流環(huán)跟隨測試。本文主要針對q軸電流進行測試與分析。

圖12所示為不同條件下的電流環(huán)跟隨效果。其中給定參考信號為頻率500 Hz、幅值2 A的正弦信號。由實驗結(jié)果可知，在不同速度下，開關(guān)頻率的增大降低了q軸電流的跟隨延時，提高了電流環(huán)控制效果。

圖12 500 Hz電流跟隨波形Fig.12 The current following waveforms at 500 Hz

為了在一定程度上定量比較不同開關(guān)頻率下電流環(huán)的控制性能，通過不同跟隨頻率的正弦跟隨實驗得到控制系統(tǒng)的電流環(huán)帶寬。取閉環(huán)幅頻響應(yīng)增益衰減-3 dB所對應(yīng)角頻率以及相移-45°所對應(yīng)的角頻率最小值作為系統(tǒng)的截止頻率。圖13和圖14所示為控制系統(tǒng)在不同工作條件下達到截止頻率時的正弦跟隨波形；系統(tǒng)截止頻率與工作條件的關(guān)系如圖15所示。

圖13 截止頻率下電流跟隨波形（0 r/min）Fig.13 The current following waveforms at cut-off frequency（0 r/min）

圖14 截止頻率下電流跟隨波形（3 000 r/min）Fig.14 The current following waveforms at cut-off frequency（3 000 r/min）

由實驗數(shù)據(jù)對比可得，開關(guān)頻率由10 kHz提升至40 kHz時，電流環(huán)帶寬有較大的提升，在0 r/min與3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，電流環(huán)帶寬分別由500 Hz，400 Hz提升至1 000 Hz，750 Hz，同時，電流波形也有所改善。并且，實驗結(jié)果也驗證了電機轉(zhuǎn)速的提升導(dǎo)致的d，q軸耦合加深對電流環(huán)控制性能的負面影響。將圖15中實驗數(shù)據(jù)同圖2中理論推導(dǎo)數(shù)據(jù)進行對比可知，實驗測得的帶寬明顯低于理論推導(dǎo)，主要有以下原因：理論推導(dǎo)中為了運算和表達簡便，部分環(huán)節(jié)采用了近似化處理；實際系統(tǒng)與理論系統(tǒng)有所區(qū)別，對于實際系統(tǒng)信號采集存在延時、信號轉(zhuǎn)換存在誤差、器件開關(guān)波形并非方波、開關(guān)過程需要死區(qū)延時等因素，在理論系統(tǒng)中沒有考慮。

圖15 q軸電流環(huán)帶寬變化曲線Fig.15 The current loop bandwidth curves of q axis

根據(jù)上述分析及實驗，對于電機控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速提高后，電流環(huán)帶寬隨之下降。由此，在一定范圍內(nèi)，較高的開關(guān)頻率可以為電機控制系統(tǒng)提供足夠的電流環(huán)帶寬裕度，一定程度上補償了電機在高速下電流環(huán)控制性能下降的問題。以本文圖15實驗結(jié)果為例，電機控制系統(tǒng)在10 kHz頻率下0轉(zhuǎn)速時的q軸電流環(huán)帶寬為500 Hz，轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時，電流環(huán)帶寬降至400 Hz，相同轉(zhuǎn)速下當(dāng)頻率提升至20 kHz時，電流環(huán)帶寬則達到了600 Hz，通過頻率的提高，有效彌補了速度增大對電流環(huán)控制性能所帶來的影響。

5 結(jié)論

本文分析了PWM延時對于感應(yīng)電機控制系統(tǒng)電流環(huán)帶寬的影響，并通過搭建的基于SiC器件的電機驅(qū)動系統(tǒng)，對理論分析結(jié)果進行了物理試驗驗證和定量分析。

通過針對實際感應(yīng)電機控制系統(tǒng)的實驗驗證及分析，本文所設(shè)計的電機驅(qū)動器開關(guān)頻率和控制頻率可以提升至40 kHz以上，電機控制系統(tǒng)電流環(huán)的帶寬和響應(yīng)速度得到了有效的提升，從而為電機控制系統(tǒng)提供了較大的電流環(huán)帶寬裕度，保證了電機在較高速度下的控制性能。通過對上述實驗結(jié)果的分析可以預(yù)見，具有高開關(guān)頻率性能的SiC驅(qū)動器在高速電機領(lǐng)域具有較大的研究價值和應(yīng)用前景。

但是，電機驅(qū)動器的高頻化在提高電流環(huán)性能的同時，也帶來了一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，開關(guān)頻率的提高使電機的死區(qū)效應(yīng)更加明顯，增大了電機驅(qū)動器的EMI等等，下一步擬對以上問題進行進一步研究，更好地發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體器件在電機驅(qū)動領(lǐng)域的優(yōu)勢和價值。