基于SiC MOSFET的高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

周 力，周 龍，王 欣，謝成龍，安群濤

(1.中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，貴陽(yáng) 550009; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(PMSM)具有效率高、控制性能好、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以碳化硅(SiC)為材料的第三代寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體功率器件已在汽車電驅(qū)動(dòng)、充電電源、感應(yīng)加熱電源等系統(tǒng)中逐步得到應(yīng)用[1-4]。SiC MOSFET具有阻斷電壓高、通態(tài)電阻低、開(kāi)關(guān)速度快、耐高溫等優(yōu)異性能，可以降低散熱器體積，提升系統(tǒng)功率密度，也可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提升系統(tǒng)性能[5]。目前，Cree、Rohm、英飛凌、三菱等半導(dǎo)體廠商相繼推出了電流達(dá)數(shù)百安培的SiC MOSFET模塊，能夠滿足數(shù)十千瓦電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求。近年來(lái)，對(duì)于SiC MOSFET應(yīng)用中的柵極驅(qū)動(dòng)[6-7]、干擾抑制[8-9]、系統(tǒng)性能提升策略[10-11]等方面的研究得到了學(xué)者的關(guān)注。

高速永磁同步電機(jī)可以進(jìn)一步提升功率密度，但由于繞組電感量小、基波頻率高，存在電流諧波大的問(wèn)題，通過(guò)采用寬禁帶器件提高開(kāi)關(guān)頻率是減小電流諧波的有效方案[12]。為提升高速電機(jī)的電流環(huán)響應(yīng)，文獻(xiàn)[13-14]針對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)延提出相位補(bǔ)償?shù)姆桨?，其效果取決于補(bǔ)償相位的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)減小電流采樣延時(shí)來(lái)擴(kuò)展電流環(huán)控制帶寬，增加了高速PMSM系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文針對(duì)高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用需求，采用SiC MOSEFT模塊作為功率開(kāi)關(guān)器件，設(shè)計(jì)了其柵極驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率、優(yōu)化電流采樣時(shí)刻和計(jì)算時(shí)序來(lái)減小電流環(huán)中的延時(shí)，提升電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性。

1 PMSM的控制策略

1.1 PMSM的矢量控制

表貼式永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別為

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式中，ud、uq分別為電機(jī)的d軸和q軸電壓；id、iq分別為d軸和q軸電流；Rs、Ls分別為繞組電阻和電感；p=d/dt為微分算子；ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度；ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向id=0控制，表貼式永磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩電流比運(yùn)行，矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

1.2 電流環(huán)模型與參數(shù)設(shè)計(jì)

以q軸電流環(huán)為例，建立其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。圖中，Kp和Ki分別為電流PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)；Tc為電流采樣到更新PWM之間的計(jì)算延時(shí)；逆變器傳遞函數(shù)可等效為時(shí)間常數(shù)為TPWM、增益為1的一階慣性環(huán)節(jié)，這里TPWM為PWM周期。

圖2 電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖

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式中,TPI為調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)，且有TPI=Kp/Ki。

可知電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

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其中，T∑i=TPWM+Tc?？傻玫胶?jiǎn)化后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

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按照典型二階系統(tǒng)進(jìn)行分析，可得到系統(tǒng)阻尼比ξ、開(kāi)環(huán)截止頻率ωc以及閉環(huán)帶寬ωb，其中閉環(huán)帶寬取閉環(huán)增益減少到-3 dB處的角頻率和相頻特性在-45°處的角頻率較低者?？梢缘玫剑?/p>

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可見(jiàn)，電流環(huán)延時(shí)時(shí)間常數(shù)TΣi直接影響電流環(huán)帶寬，進(jìn)而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，減小TΣi就可以拓展電流環(huán)帶寬，提高電機(jī)電流的響應(yīng)。

2 電流環(huán)的改進(jìn)

根據(jù)上面的分析，提高開(kāi)關(guān)頻率和減小計(jì)算延遲均提高電流環(huán)帶寬，本文在采用SiC MOSFET器件來(lái)提高開(kāi)關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，對(duì)電流采樣時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小計(jì)算延遲。

為了避免電流諧波對(duì)采樣電流造成影響，一般在PWM開(kāi)始或中點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行電流采樣。采用DSP的系統(tǒng)中通常在PWM周期開(kāi)始時(shí)刻進(jìn)行電流采樣，這樣留給處理器的計(jì)算時(shí)間為一個(gè)PWM周期，更新后的占空比在下一個(gè)PWM周期輸出，這樣從電流采樣到計(jì)算產(chǎn)生PWM輸出延時(shí)了一個(gè)PWM周期。本系統(tǒng)采用FPGA計(jì)算電流環(huán)，計(jì)算時(shí)間可以大大縮短，因而選擇在PWM周期中點(diǎn)進(jìn)行采樣，從而可以拓寬電流環(huán)帶寬，電流采樣與計(jì)算時(shí)序如圖3所示。

圖3 電流采樣時(shí)刻與計(jì)算時(shí)序

3 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。逆變器選用Rohm公司的1200 V、180A SiC MOSFET半橋模塊BSM180D12P2E002構(gòu)建；主控芯片采用DSP(TMS320F28335)和FPGA(EP4CE22E22I7N)。其中，F(xiàn)PGA用于實(shí)現(xiàn)電流環(huán)調(diào)節(jié)，DSP用于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及其他輔助功能。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度和速度測(cè)量元件，由AD2S1210解調(diào)后將角度和速度值送入FPGA中。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路采用英飛凌隔離型柵極驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12-F2，電路結(jié)構(gòu)如圖5，實(shí)物圖如圖6所示。1ED020I12-F2是單通道隔離IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可用于600 V/1200 V等級(jí)功率管，最大驅(qū)動(dòng)電流位±2 A，具有去飽和過(guò)流檢測(cè)和米勒鉗位功能。每個(gè)SiC MOSFET器件需要一片1ED020I12-F2芯片，芯片的前端與控制電路相連，后端由+15 V轉(zhuǎn)+18 V和-4 V的隔離DC/DC電源供電。過(guò)流保護(hù)功能通過(guò)飽和壓降檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)，器件導(dǎo)通期間芯片內(nèi)部0.5 mA恒流源通過(guò)DESAT引腳給外部消隱電容充電，若功率器件電流過(guò)大導(dǎo)致導(dǎo)通壓降升高，使得電容上的電壓超過(guò)9 V閾值，立即產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)并使輸出拉低。不像IGBT能夠允許10 μs的短路時(shí)間，SiC MOSFET的短路時(shí)間一般不超過(guò)3 μs，短路保護(hù)時(shí)間通過(guò)選擇消隱電容值來(lái)設(shè)定。CLAMP為米勒鉗位功能引腳，當(dāng)關(guān)斷期間檢測(cè)到柵極信號(hào)高于2 V時(shí)，該引腳自動(dòng)拉至負(fù)電源，以防止信號(hào)串?dāng)_造成誤導(dǎo)通。

圖5 柵極驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖

圖6 柵極驅(qū)動(dòng)板照片

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了雙脈沖測(cè)試和過(guò)流保護(hù)功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。在雙脈沖的觸發(fā)下，SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)了大電流的開(kāi)通與關(guān)斷；當(dāng)發(fā)生過(guò)流后，去飽和引腳DESAT電壓在3 μs左右上升至閾值，驅(qū)動(dòng)芯片將輸出信號(hào)自動(dòng)拉低。

圖7 雙脈沖測(cè)試結(jié)果

圖8 過(guò)流保護(hù)功能測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)供電電壓為500 VDC，電機(jī)額定功率32 kW，額定轉(zhuǎn)速13000 r/min，開(kāi)關(guān)頻率20 kHz。6000 r/min穩(wěn)態(tài)下的三相繞組電流波形如圖9所示，電流有效值為46 A。為考核電流環(huán)響應(yīng)，將電機(jī)堵轉(zhuǎn)并給定q軸電流為250 Hz正弦量，電流環(huán)采樣與更新時(shí)刻改進(jìn)前后的測(cè)試結(jié)果如圖10所示，改進(jìn)后電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快。

圖9 穩(wěn)態(tài)電流波形

圖10 電流環(huán)改進(jìn)前后的q軸電流響應(yīng)

5 結(jié) 論

本文針對(duì)高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)了采用SiC MOSFET功率模塊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率和優(yōu)化電流采樣時(shí)刻擴(kuò)展了電流環(huán)控制帶寬，設(shè)計(jì)了具有去飽和過(guò)流檢測(cè)和米勒鉗位功能的柵極驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了雙脈沖和過(guò)流測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用SiC MESFET器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得了良好的系統(tǒng)性能，提升了電機(jī)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。