基于SiC MOSFET的低压交流伺服驱动器的研究

摘要

随着社会发展，以永磁同步电机为控制对象的交流伺服系统在人们的日常生活、工业生产和国防建设等领域日益得到广泛的应用。然而，一些需要在野外作业的情况下，无法为伺服系统提供高压交流电源，只能以24V直流蓄电池作为电源。当采用低压电源供电时，交流伺服系统就会出现压降大、损耗高、体积增大等问题。相比于传统Si IGBT，新型SiC MOSFET具有开关频率高、通态压降低、损耗小、工作温度高等优点。本文以SiC MOSFET功率模块代替IGBT功率模块展开研究，以克服低压交流伺服系统压降大、损耗高的技术难点。尤其是高开关频率时，采用SiC MOSFET设计低压交流伺服系统损耗方面的优势更明显，对于进一步研究高性能低压交流伺服系统具有现实意义和应用价值。
　　首先，介绍了SiC MOSFET的结构及特点，建立了SiC MOSFET的功能模型并进行仿真，分析了SiC MOSFET的开关特性、管压降和开关损耗，从理论上得出SiC MOSFET的管压降和开关损耗都低于同功率等级的IGBT，开关频率越高时，SiC MOSFET和IGBT的开关损耗差距越大。
　　其次，分析了主回路的工作原理，分别以SiC MOSFET和IGBT仿真模型搭建了主回路，以SPWM信号为触发信号，以正弦波为调制波，进行了主回路工作过程中管压降和损耗的仿真，通过仿真结果的对比分析，证明了SiC MOSFET设计的主回路管压降和损耗更低，尤其是在高开关频率时，SiC MOSFET设计的主回路损耗方面的优势更明显，更适合低压交流伺服驱动器的应用。
　　最后，以TMS320F2812为控制核心，分别以CREE公司的CCS050M12CM2型号SiC MOSFET功率模块和三菱公司的PM100RLA120型号IGBT功率模块为主回路设计了低压交流伺服驱动器的软硬件，搭建了低压交流伺服驱动器的实验平台。利用搭建的实验平台，对基于两种功率模块设计的伺服驱动器进行了通态压降和损耗方面的测试，实验结果再次证明了基于SiC MOSFET设计的低压交流伺服驱动器通态压降和损耗均低于基于IGBT设计的低压交流伺服驱动器，尤其是在高开关频率时，基于SiC MOSFET设计的低压交流伺服驱动器损耗方面的优势更明显，对于提高低压伺服驱动器的电压利用率，缩小低压伺服驱动器的体积，提高低压伺服驱动器的功率密度很有意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 交流伺服系统的发展现状及趋势

1．2．1 永磁电机的发展现状及趋势

1．2．2 交流伺服系统的发展现状及趋势

1．3 功率器件的发展现状及趋势

1．4 本文研究内容

第2章 SiC MOSFET的结构及特性分析

2．1 SiC MOSFET的结构及特点

2．2 SiC MOSFET的仿真模型建立

2．3 SiC MOSFET的开关特性研究

2．4 SiC MOSFET管压降研究

2．5 SiC MOSFET的开关损耗分析

2．6 本章小结

第3章 SiC MOSFET在低压伺服主回路中的应用研究

3．1 主回路的拓扑结构

3．2 主回路工作原理

3．3 主回路的损耗分析

3．4 基于主回路的仿真分析

3．5 散热系统的设计

3．6 本章小结

第4章 低压交流伺服驱动器的系统设计及软硬件实现

4．1 永磁同步电机的数学模型

4．1．1 永磁同步电机的结构及建模条件

4．1．2 永磁同步电机的数学模型

4．1．3 永磁同步电机的转子磁场定向控制

4．1．4 永磁同步电机的双闭环控制系统

4．2 低压伺服驱动器的硬件电路设计

4．2．1 硬件总体框架设计

4．2．2 基于DSP的控制电路设计

4．2．3 主回路设计

4．2．4 驱动电路设计

4．2．5 电压、电流检测电路

4．2．6 速度检测电路

4．2．7 辅助电源电路

4．3 软件设计

4．3．1 系统主程序及初始化

4．3．2 定时器下溢中断服务子程序

4．3．3 电流采样模块

4．3．4 PI调节器模块

4．4 本章小结

第5章 实验平台的搭建及实验结果分析

5．1 实验平台的搭建

5．2 实验结果及分析

5．2．1 开关频率为5kHz

5．2．2 开关频率为10kHz

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢