适用于高速电机驱动的SiC基逆变器高速开关行为评价及其改善方法

Compared to traditional motor, high speed motor can achieve reduced volume, reduced weight and increased power density, which has become an important research direction of motors. Inverters equipped for high speed motors are required to operate under high switching frequency, which cannot be satisfied by traditional Silicon based inverters and gives way to inverters based on silicon carbide devices. However, problems in SiC based motor drive system concerning reflected wave phenomenon, EMI interference and dead time configuration still remain unsolved of SiC devices under high switching speed. This project focuses on the research of these problems by firstly establishing impedance model of the high frequency inverter, high frequency transmission line and high speed motor. Moreover, effective methods for reflected wave suppression are proposed after analysis and evaluation of this phenomenon in transmission line. Also, mathematical models of conducted EMI and characteristic spectrum of variable frequency EMI interference are created. EMI suppression method aimed on loop optimization and optimal variable frequency PWM control strategy are proposed. Optimization strategy of dead time dynamic adjustment is also put forward to deal with the strong coupling between turn-off time and motor load. This research provides theoretical analysis and practical design guidance for SiC based high frequency inverters.

高速电机比普通电机在输出相同功率情况下可以减小电机体积重量，提高功率密度，成为电机重要的研究方向。与高速电机相匹配的逆变器需要具有高开关频率工作能力，现有Si基逆变器很难满足要求，基于新型SiC器件的逆变器应运而生。但SiC基电机驱动系统在SiC器件高速开关时存在电压反射、EMI干扰、死区优化设置方面的问题。本课题重点围绕这几方面问题进行研究：建立高频逆变器、高频传输线和高速电机的阻抗模型，对传输线电压反射问题进行分析评估，提出有效的电压反射抑制方法；建立EMI传导路径数学模型和变开关频率EMI干扰源的特征频谱，提出以回路优化为目标的EMI抑制方法和优化变频PWM控制策略；针对SiC MOSFET关断时间与负载的较强相互关系，提出死区动态调整优化策略。课题研究为高频SiC基逆变器提供理论分析和实际设计指导方法。

基于新型SiC器件的逆变器可以更好的匹配高速电机工作，但SiC器件的可靠驱动、SiC功率单元的优化设计以及SiC器件高速开关时的电压反射、EMI干扰和死区优化设置等问题涵待解决。本课题重点围绕这些方面问题进行了研究。.针对于SiC MOSFET单管和SiC MOSFET模块，提出驱动电路参数优化设计方法，对桥臂串扰机理进行了分析，提出桥臂串扰抑制方法，对SiC器件短路特性进行了研究，揭示了短路电流机理及影响短路电流的主要因素，提出改进型去饱和设计方法，有效缩短了消隐时间。并基于驱动电路研究制成实用驱动电路板。建立了分别基于单管、桥臂和模块的双脉冲电路，通过实验测试研究了栅极、漏极、源极寄生电感对开关特性的影响，提出了SiC功率单元综合布局布线方法。分别基于单管器件和功率模块，建立了2kW和10kW SiC基逆变器电机驱动器样机平台。分析了SiC基电机驱动器中电压反射与传输线阻抗、负载阻抗及逆变器阻抗的关系，建立了高频阻抗模型。通过测试传输线、电机和逆变器的阻抗特性，与理论模型进行对比，修正了理论模型。对抑制电压反射的滤波器结构形式和参数进行了对比评估分析，对RLC型滤波器的参数进行了优化设计。对高频电机逆变器EMI频谱进行了傅里叶分析，建立了负载电流与开关频率的数学模型并通过仿真检验了模型的准确性，综合基本开关频率控制策略，得到考虑负载电流的开关频率控制策略。在电机平台中对新型变频PWM控制策略进行了实验验证。建立了关断时间与负载电流的数学模型，形成离线预设死区模型。提出栅极电压、漏源电压动态转换实时检测电路，与离线预设死区模型融合，建立了自适应死区优化模型，根据负载情况综合判断得出动态调整死区时间。课题研究成果为高频SiC器件的驱动电路设计、功率单元设计、以及SiC基逆变器设计提供了理论分析基础和一些实际设计指导方法。