永磁同步电机驱动系统共模谐波及共模传导路径研究

摘要

随着半导体功率器件的快速发展，SiC MOSFET（Silicon Carbide MOSFET）具有较快的开关速度、较低的开关损耗、较高的结晶温度等众多优点。正因为如此，SiC MOSFET正在代替硅IGBT（Si IGBT）成为功率逆变电路的核心器件。因为SiC MOSFET在开关过程中产生非常高的电流和电压变化率，给电机驱动系统带来更为复杂的电磁兼容问题。为了使整个系统达到相关的电磁兼容标准，优化系统设计，本文重点分析系统的共模谐波，阐明系统共模传导路径。 首先，电机作为电机驱动系统共模谐波传导的重要路径，建立合适的电机模型，对系统的共模谐波分析、传导路径的研究、整体仿真模型都十分重要。根据当前学者对感应电机建模方法的研究，结合永磁同步电机的物理结构，找到一种适合永磁同步电机的建模方法，并通过实验对模型的有效性、合理性进行验证，确保模型的精度。 其次，功率器件是电机驱动系统中大功率、高频开关的元件，快速通断过程产生的共模谐波会严重干扰系统的正常工作。本文以SiC MOSFET为例，建立用来分析功率器件开关过程的数学模型，阐述开关过程中谐波产生的机理，研究过程大概分为四个步骤：第一，根据理想情况下的双脉冲电路和SiC MOSFET开通与关断条件，得到SiC MOSFET开关过程的数学模型；第二，分析SiC MOSFET通过数学模型得到的仿真波形与实测波形之间的差异，定性定量的分析导致差异的因素，采用适当的方法，确定因素的具体值；第三，考虑到产生差异的因素，优化双脉冲电路，得到SiC MOSFET在非理想情况下开关过程的数学模型；第四，根据开关过程的数学模型，分三种情况对SiC MOSFET开关波形进行频谱分析，研究SiC MOSFET在开关过程中产生的共模谐波。 最后，根据实验室电机驱动系统，对导线、电缆进行建模，在Simulink、Simplorer联合仿真平台上搭建电机驱动系统的仿真系统。对仿真系统和实验系统中关键结点的电压(电流)进行时域、频域对比分析，根据对比分析结果，优化仿真系统；分析上述频谱，根据关键结点的电压(电流)包含的频率成分和不同的接地回路，判断不同频率成分对电机驱动系统的高频谐波的影响，分情况画出永磁同步电机驱动系统共模传导路径图，并针对不同的功率器件，分析永磁同步电机驱动系统共模谐波之间的差异。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁同步电机建模技术研究现状

1.2.2 碳化硅MOSFET开关特性研究现状

1.2.3 PCB板参数提取研究现状

1.3 本文的主要工作与创新

1.4 论文的结构安排

第二章 适用于EMI分析的永磁同步电机建模研究

2.1 基于电机物理结构的建模研究

2.1.1 基于电机物理结构的电机模型参数计算原理

2.1.2 基于电机物理结构的电机模型参数计算过程

2.1.3 基于电机物理结构的电机模型参数确定与验证

2.2.1 VF拟合技术

2.2.2 有理函数的等效电路

2.2.3 基于矢量拟合的电机模型参数确定与验证

2.3 适用于EMI分析的永磁同步电机模型

2.3.1 适用于EMI分析的永磁同步电机建模分析

2.3.2 适用于EMI分析的永磁同步电机模型参数确定与验证

2.4 本章小结

第三章 碳化硅MOSFET开关行为特性及其共模谐波研究

3.1SiC MOSFET在感性负载、理想状态下的开关行为研究

3.1.1SiC MOSFET在理想状态下的开通过程

3.1.2SiC MOSFET在理想状态下的关断过程

3.1.3SiC MOSFET在理想状态下的开关波形与实验验证

3.2寄生参数对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.1电容Cgs对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.2电容Cgd对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.3电容Cds对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.4源极电感Ls对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.5漏极电感Ld对SiC MOSFET开关性能的影响

3.2.6二极管结电容Cf对SiC MOSFET开关性能的影响

3.3 寄生参数提取与动态参数的拟合

3.3.1 寄生参数的提取过程

3.3.2 动态参数的拟合过程

3.4SiC MOSFET在感性负载、非理想状态下的开关行为研究

3.4.1 SiC MOSFET在非理想状态下的开通过程

3.4.2 SiC MOSFET在非理想状态下的关断过程

3.4.3SiC MOSFET在非理想状态下的开关波形与实验验证

3.5SiC MOSFET器件产生共模谐波机理研究

3.5.1 不考虑波形斜率及振荡过程的开关过程谐波机理分析

3.5.2 考虑波形斜率的开关过程谐波机理分析

3.5.3SiC MOSFET开关过程谐波机理分析

3.6 本章小结

第四章 永磁同步电机驱动系统共模传导路径分析与验证

4.1 永磁同步电机驱动系统共模传导路径研究

4.1.1 传输线等效电路

4.1.2 永磁同步电机驱动系统共模传导路径分析与验证

4.1.3 连接方式对电机驱动系统共模传导路径分析的影响

4.2 不同的功率器件对电机驱动系统共模谐波分析的影响

4.2.1 不同的功率器件对系统共模电流分析产生的影响

4.2.2 不同的功率器件对开关过程中的谐波分析产生的影响

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 全文工作总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果