碳化硅功率器件在永磁同步电机驱动器中的应用研究

摘要

电动汽车、航空、航天、电力牵引、家电等领域的飞速发展对永磁同步电机驱动器提出了更高的要求，希望其具有更高的效率、更高的功率密度以及更高的可靠性。功率器件是电机驱动系统的主要组成部分，对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。与传统基于硅半导体材料的功率器件相比，新兴碳化硅功率器件具有开关速度快、阻断电压高和耐高温工作能力强等优点，由此可预见利用碳化硅功率器件设计的电机驱动器能提高永磁同步电机驱动系统的效率、功率密度以及动态性能。随着碳化硅功率器件制造技术的不断发展和成熟，其在永磁同步电机驱动器中的应用研究受到研究人员越来越多的关注。永磁同步电机由于其具有结构紧凑、效率高、调速性能好等优点被广泛应用于电动汽车、航空、航天、电力牵引、家电等领域。
　　本文首先对永磁同步电机的结构进行简单介绍，阐述了坐标变换的原理，给出了永磁同步电机在坐标变换后的数学模型，分析了电压矢量控制的基本原理，介绍了PMSM中空间矢量作用的时间计算方法。与传统的硅半导体相比，碳化硅半导体的材料特性存在较大优势，因而碳化硅功率器件比传统的硅功率器件具有更好地电气特性，为了保证碳化硅功率器件的优势在永磁同步电机驱动器中的充分发挥，使得基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动器能够获得更优的性能，本文详细分析了利用碳化硅功率器件可能带来的实际应用问题。电机驱动器桥臂结构电路中一个开关管快速开关瞬态产生的高电压变化率（dv/dt）会影响其互补开关管的工作，引起串扰问题，导致额外的开关损耗甚至器件失效。本文重点讨论 SiC基高速开关给PMSM驱动器带来的一些关键问题，分析了电机驱动器中桥臂串扰问题的产生机理及其危害，给出了电机驱动器桥臂电路高频串扰问题的特殊性，阐述了抑制串扰问题的方法并给出抑制实验效果。分析了高速开关下寄生电感对功率器件的安全工作的影响原理，给出开关速度提高对寄生参数容忍程度关系曲线，阐述了抑制寄生电感影响的方法并给出抑制的实验效果。最后，对PMSM驱动器的功率器件进行了损耗分析，指出了与硅功率器件相比，采用碳化硅功率器件所能取得的效率优势，完成了输出功率1kW的PMSM驱动器实验样机的设计制作，进行了实验验证，并讨论了保持相同效率时，采用碳化硅功率器件对PMSM驱动器的散热系统体积/重量的减小。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 SiC基PMSM驱动器的研究进展

1.3 SiC基PMSM驱动器的研究问题

1.4 本文的内容安排

第二章 PMSM数学模型和SVPWM控制策略

2.1 永磁同步电机的结构

2.2 永磁同步电机的数学模型

2.3 永磁同步电机的坐标变换

2.4 永磁同步电机电压矢量控制

2.5 本章小结

第三章 SiC基高速开关PMSM的关键问题

3.1 SiC基PMSM桥臂电路串扰机理及抑制方法

3.2 高开关速度下寄生电感对器件安全工作影响

3.3 高开关速度下死区效应分析

3.4 本章小结

第四章 SiC基PMSM电机驱动器的硬件和软件设计

4.1 硬件电路设计

4.2 软件设计

4.3 本章小结

第五章 Si/SiC基PMSM驱动器实验分析

5.1 PMSM电机驱动系统样机平台

5.2 主要实验波形

5.3 损耗分析与实验对比

5.4 Si/SiC基PMSM驱动器散热器温升对比

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文