基于并聯(lián)SiCMOSFET架構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

趙君 譚博 丁力 屈盼讓

摘 要： 為滿足機(jī)、彈載伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高功率密度與高效率的需求，提出基于并聯(lián)SiC MOSFET架構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)。針對(duì)四管分立SiC MOSFET并聯(lián)不均流現(xiàn)象，在分析不均流機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用基于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方法提高并聯(lián)均流效果;并針對(duì)SiC MOSFET高速開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的較高[dvdt]問(wèn)題，提出一種基于PWM信號(hào)的同步采集方法，有效地提升了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)魯棒性。最后，以航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上方法的有效性。

關(guān)鍵詞： SiC MOSFET; 并聯(lián)均流; 同步采集; 無(wú)刷直流電機(jī); 獨(dú)立驅(qū)動(dòng); 魯棒性

中圖分類號(hào)： TN303?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）09?0147?05

Abstract： In order to meet the requirements of high power density and high efficiency for airborne and missile servo drive systems， an efficient driving technology of brushless DC motor （BLDCM） based on parallel SiC MOSFET architecture is proposed. On the basis of the analysis of the nonuniform current mechanism， the independent driving method is adopted to improve the parallel current sharing effect of SiC MOSFET with discrete four?tubes. In view of the high [dvdt] generated in the high?speed switching process of SiC MOSFET， a synchronous acquisition method based on PWM signal is proposed to improve the robustness of the driving system effectively. The driving system of 25 kW BLDCM is used as the application object. The effectiveness of the above method was verified with experiments.

Keywords： SiC MOSFET; paralleling current sharing; synchronous sampling; brushless DC motor; individual drive; robustness

0 引 言

針對(duì)機(jī)載和彈載設(shè)備安裝空間小、能源有限的問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度和效率已成為制約機(jī)、彈載設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。隨著多全電飛機(jī)與基于電動(dòng)舵機(jī)彈類產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度和效率提出了更高的要求。SiC MOSFET具有導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，特別適用于高功率密度和高效率的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）本體與有刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及交流異步電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度及轉(zhuǎn)矩密度高、逆變器容量需求較小的優(yōu)勢(shì)[1]。因此，SiC MOSFET與BLDCM的結(jié)合能夠發(fā)揮出系統(tǒng)高功率密度的特點(diǎn)，特別適用于彈載與機(jī)載環(huán)境使用。針對(duì)大功率應(yīng)用需求，通過(guò)SiC MOSFET的并聯(lián)可以進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率及功率密度。但是，并聯(lián)不僅會(huì)帶來(lái)流經(jīng)功率管電流的不均衡問(wèn)題，還會(huì)成倍增加功率器件數(shù)量以及電路的雜散參數(shù)，加劇電磁環(huán)境的惡化，導(dǎo)致較大的電磁干擾現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]針對(duì)由并聯(lián)SiC MOSFET組成的功率模塊驅(qū)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種雙功能的驅(qū)動(dòng)電路，在滿足高速驅(qū)動(dòng)的同時(shí)避免電流震蕩。文獻(xiàn)[2]以312 kVA三相逆變器為應(yīng)用對(duì)象，采用CREE公司的雙CAS100H12AM1模塊并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，研究其驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在額定功率點(diǎn)逆變器效率達(dá)到了99.3%。文獻(xiàn)[3]研究了電路差異以及元器件差異對(duì)并聯(lián)SiC MOSFET的影響，指出開(kāi)關(guān)電路的雜散電感會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)回路電流的差異。文獻(xiàn)[4]指出SiC MOSFET的并聯(lián)會(huì)增大耦合寄生參數(shù)，并研究了橋臂上下管之間的串?dāng)_現(xiàn)象。以上文獻(xiàn)主要研究了并聯(lián)SiC MOSFET的高速驅(qū)動(dòng)方法，而未考慮其高速開(kāi)關(guān)速度引起較大的[dvdt，]以及并聯(lián)方式帶來(lái)的電路雜散參數(shù)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。

以航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，從系統(tǒng)效率以及功率密度的角度出發(fā)，在對(duì)比分析半橋IGBT模塊以及多管SiC MOSFET并聯(lián)方案的基礎(chǔ)上，采用四管SiC MOSFET并聯(lián)的方案。針對(duì)不均流的風(fēng)險(xiǎn)，探究其不均流機(jī)理，研究一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方法。針對(duì)功率器件增多以及SiC MOSFET高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的[dvdt]引起的電磁環(huán)境惡化現(xiàn)象，研究一種信號(hào)的同步采集方法以提高系統(tǒng)抗干擾能力。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)以上方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)和IGBT模塊驅(qū)動(dòng)的溫升進(jìn)行對(duì)比。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

圖1是BLDCM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主回路示意圖，主回路的設(shè)計(jì)主要是對(duì)功率器件T1～T6和D1～D6的選型。航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)如表1所示，其額定電流為103 A。

考慮到當(dāng)功率器件殼體溫度為100 ℃時(shí)滿足2倍余量的要求，至少選擇耐壓600 V、額定電流為200 A的功率器件。根據(jù)該指標(biāo)要求分別選擇了Infinenon公司型號(hào)為FS200R06KE3的三相全橋IGBT模塊，其額定電流為200 A、耐壓600 V;以及CREE公司型號(hào)為C2M0025120D的分立SiC MOSFET，其額定電流為60 A、耐壓1 200 V，并采用四管并聯(lián)方式。

以下分別對(duì)IGBT模塊以及四管并聯(lián)的分立SiC MOSFET的損耗以及溫升進(jìn)行計(jì)算。功率器件的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗兩部分，假設(shè)占空比為1，IGBT模塊以及SiC MOSFET的損耗計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式分別如下：

通過(guò)式（1）和式（2）可以看出，導(dǎo)通損耗與導(dǎo)通壓降（電阻）有關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)速度有關(guān)，這些參數(shù)與功率器件結(jié)溫以及流過(guò)的電流有關(guān)。通過(guò)廠家給出的曲線可以計(jì)算出功率器件的總損耗，如表2所示。與IGBT模塊相比，采用四管并聯(lián)的分立SiC MOSFET能夠使損耗減小88.41 W，在管殼溫度一致的前提下，結(jié)溫降低33.34 ℃，不僅有利于提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度和效率，還有利于減小散熱器的重量和體積?？紤]到SiC MOSFET反并聯(lián)體二極管的導(dǎo)通壓降較高，采用型號(hào)為C4D20120A的SiC二極管作為續(xù)流二極管D1～D6。同時(shí)，該SiC二極管具有較小的反向恢復(fù)電流和恢復(fù)電荷，其作為續(xù)流二極管有利于降低SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗[5]。

圖2是A相上橋臂功率電路示意圖，T1_1～T1_4是并聯(lián)的4個(gè)SiC MOSFET。在均流設(shè)計(jì)方面，主要考慮采用C2M0025120D和C4D20120A的正溫度效應(yīng)保證其導(dǎo)通均流，以及合理的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)保證其動(dòng)態(tài)均流。圖3是C2M0025120D和C4D20120A的導(dǎo)通電阻以及導(dǎo)通壓降溫度曲線。

2 SiC MOSFET并聯(lián)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析

圖4是A相驅(qū)動(dòng)等效電路圖。[LD]為漏極寄生電感，[LS]為源極寄生電感，[LG1]為柵極寄生電感，[LG2]為柵極驅(qū)動(dòng)回路寄生電感，[RG]為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，[CGD]為米勒電容，[CGS]為柵源電容。其中，[LD]和[LS]主要包含了線路和功率器件封裝的寄生電感，根據(jù)廠家提供的封裝資料、線纜電感計(jì)算公式以及電流基波頻率，該寄生電感數(shù)量級(jí)為nH，遠(yuǎn)小于電機(jī)繞組mH級(jí)別的電感量，因此，[LD]和[LS]對(duì)SiC MOSFET動(dòng)態(tài)均流的影響較小。[CGD]和[CGS]主要和SiC MOSFET的自身參數(shù)有關(guān)，選擇同一批次的元器件可以盡可能降低該參數(shù)的差異性。SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)速度和一致性主要與[RG，][LG1]和[LG2]有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要圍繞著保證以上三個(gè)參數(shù)的一致性而展開(kāi)。

為了盡可能降低主回路損耗以提高系統(tǒng)效率，利用SiC MOSFET第三象限反向?qū)ǖ墓ぷ魈攸c(diǎn)，采用同一橋臂上下管互補(bǔ)導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)策略，當(dāng)死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，使續(xù)流電流反向流經(jīng)壓降較小的SiC MOSFET。但是，該方法會(huì)增大由于串?dāng)_現(xiàn)象而導(dǎo)致的上下管直通風(fēng)險(xiǎn)[6]。如圖4所示，當(dāng)[VSW]電壓迅速降低時(shí)，由于下管[CGD]的存在，會(huì)耦合出[IGD]電流，該電流經(jīng)過(guò)[RG]以及電路的寄生參數(shù)會(huì)產(chǎn)生柵極電壓，當(dāng)該電壓超過(guò)功率器件的門檻電壓時(shí)會(huì)引起該器件的誤導(dǎo)通。降低放電回路的阻抗也是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)并聯(lián)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，主要采用單驅(qū)動(dòng)或者獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩種設(shè)計(jì)思路。由于SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度較快，其開(kāi)關(guān)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的雜散參數(shù)更為敏感。在單驅(qū)動(dòng)方式下，存在驅(qū)動(dòng)距離遠(yuǎn)近的差異、驅(qū)動(dòng)信號(hào)走線的限制以及功率器件之間的串?dāng)_現(xiàn)象，較難精確控制驅(qū)動(dòng)電路的寄生參數(shù)，不僅容易導(dǎo)致動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的不均流現(xiàn)象，還會(huì)引起驅(qū)動(dòng)信號(hào)的震蕩，使開(kāi)關(guān)損耗增大，不利于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性以及高效率。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思路，使4個(gè)并聯(lián)SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)參數(shù)一致，同時(shí)為了減小串?dāng)_現(xiàn)象，采用充放電獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法。

圖5是T1_1管驅(qū)動(dòng)電路圖，驅(qū)動(dòng)芯片采用IXYS公司的IXDN409，其最大輸出電流為9 A。為了降低SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻并保證其可靠關(guān)斷，IXDN409供電采用20 V和-5 V雙電源供電方式。采用高頻陶瓷介質(zhì)電容[C1～C4]對(duì)電源進(jìn)行去耦，以吸收驅(qū)動(dòng)芯片快速開(kāi)關(guān)引起的高頻噪聲。放電電阻[R1]和充電電阻[R2]的阻值不宜過(guò)小，否則會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電壓的震蕩，本設(shè)計(jì)中[R1]選擇為6 Ω，[R2]選擇為12 Ω。D2和D3選擇VISHAY公司型號(hào)為U1B?M3的超快恢復(fù)二極管。D4和D5為防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)過(guò)壓的瞬態(tài)吸收二極管，其型號(hào)分別為P4SMA6.8A和P4SMA24A。

3 信號(hào)同步采集方法

以航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為應(yīng)用對(duì)象，采用數(shù)字控制方式。圖6是其控制原理框圖。數(shù)字處理單元通過(guò)旋變解碼芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片采集電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子速度以及電樞電流，以實(shí)現(xiàn)速度、電流的閉環(huán)計(jì)算、轉(zhuǎn)子扇區(qū)判斷以及保護(hù)等功能，并經(jīng)三相功率驅(qū)動(dòng)單元將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)現(xiàn)BLDCM的驅(qū)動(dòng)。

由于SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度較快，其開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生較大的[dvdt，]使數(shù)字處理單元的信號(hào)采集過(guò)程易受到干擾，從而造成系統(tǒng)誤保護(hù)甚至驅(qū)動(dòng)信號(hào)的紊亂，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能失效。針對(duì)該問(wèn)題，提出一種基于PWM信號(hào)的同步采集方法。該方法的原理是：數(shù)字處理單元根據(jù)PWM的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電機(jī)的換相時(shí)刻，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間以及功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，對(duì)功率器件的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)計(jì)，只有在功率器件工作穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，降低由于干擾引起的采集誤差。

圖7是信號(hào)采集的時(shí)序圖，由上往下依次為數(shù)字處理單元輸出的PWM信號(hào)、驅(qū)動(dòng)芯片輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)據(jù)采集使能信號(hào)。圖中，邏輯“1”代表管子導(dǎo)通和數(shù)據(jù)采集使能有效，邏輯“0”代表管子關(guān)斷和數(shù)據(jù)采集使能無(wú)效。[Td1]是PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間，[Td2]是驅(qū)動(dòng)信號(hào)到功率器件完成開(kāi)關(guān)的延遲時(shí)間。根據(jù)電路參數(shù)，[Td1]和[Td2]的總延遲時(shí)間設(shè)置為2 μs，該時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PWM的開(kāi)關(guān)周期100 μs，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性造成影響。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在搭建的航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)所研究的高功率密度驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖8是測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境架構(gòu)，主要使用到的儀器設(shè)備有：供電與能量回饋設(shè)備、轉(zhuǎn)矩加載臺(tái)、PA6000功率分析儀、紅外熱傳感儀、數(shù)字萬(wàn)用表、多通道示波器等。

4.1 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)波形的一致性，采用兩路隔離探頭對(duì)同一并聯(lián)支路的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，圖9是實(shí)驗(yàn)波形。從圖9a）中可以看出，在開(kāi)通前期存在差異，黃線滯后藍(lán)線約20 ns，但到達(dá)門檻電壓后，兩個(gè)SiC MOSFET的開(kāi)通過(guò)程接近同步，在整個(gè)開(kāi)通過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有出現(xiàn)反復(fù)震蕩的現(xiàn)象。在圖9b）關(guān)斷過(guò)程中，黃線與藍(lán)線同步，驅(qū)動(dòng)電壓也同樣沒(méi)有出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了基于PWM信號(hào)的同步采集方法，沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)字處理單元的信號(hào)采集受到干擾的現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，圖10為25 kW負(fù)載下的電機(jī)A相電流波形。

4.2 溫升實(shí)驗(yàn)

分別選擇基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)和IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行滿載實(shí)驗(yàn)，采用紅外熱傳感儀對(duì)開(kāi)關(guān)管殼體進(jìn)行溫度采集，實(shí)驗(yàn)條件如下：

環(huán)境溫度：23 ℃;給定轉(zhuǎn)速：8 500 r/min;負(fù)載：25 kW;溫度采集方式：紅外熱傳感儀;電機(jī)運(yùn)行時(shí)間：30 min;散熱條件：3個(gè)5 W散熱風(fēng)扇;采集溫度：開(kāi)關(guān)管殼體。

由數(shù)據(jù)波形可以看出，在工作30 min時(shí)，基于IGBT模塊的殼體溫度達(dá)到65.3 ℃，基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)的殼體溫度為46.5 ℃。其殼體溫度都基本達(dá)到熱平衡。基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)的殼體比基于IGBT模塊的殼體溫升要低。由此可以得出：在工作條件和散熱條件相同的情況下，基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)的效率較高。

5 結(jié) 論

本文以航空25 kW無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為應(yīng)用對(duì)象，在計(jì)算IGBT模塊和多管SiC MOSFET并聯(lián)損耗以及溫升的基礎(chǔ)上，得到了四管SiC MOSFET并聯(lián)的方案有利于提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度和效率的結(jié)論。探究了SiC MOSFET并聯(lián)的不均流機(jī)理，指出了SiC MOSFET的正溫度效應(yīng)有利于其穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通均流，而其動(dòng)態(tài)均流主要與[RG，][LG1]和[LG2]有關(guān)，并分析了串?dāng)_機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方法。針對(duì)SiC MOSFET高速開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的較高[dvdt]問(wèn)題，提出一種信號(hào)同步采集方法，分析了其原理，給出了采集時(shí)序。最后，在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)所研究的驅(qū)動(dòng)方法以及信號(hào)采集方法進(jìn)行了驗(yàn)證，溫升實(shí)驗(yàn)表明，基于四管分立SiC MOSFET并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方法具有較高的效率。

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