碳化硅高速电机控制器设计及效能分析

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以碳化硅(SiC) 器件为代表的宽禁带半导体器件，对比以绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 为代表的硅基半导 体功率器件，有开关损耗低、开关速度快、器件耐压高等优势。尤其是对于超高速电机控制器的开发，降低控制 器损耗和减小电机相电流谐波成分是关键，故将SiC MOSFET 作为电机控制的功率半导体元件成为了提升控 制器效率、减小控制器体积、优化控制效果的重要方法。此处设计了一款 SiC 功率器件构成的电机控制器，通 过 DSP 控制核心驱动高速永磁同步电机，测定控制周期与死区时间对谐波成分的影响。然后将其与IGBT 器件 构成的控制器进行控制效果的对比。实验表明采用SiC器件的控制器损耗更低，可以实现更高的开关频率和更 小的死区时间，从而能有效降低电机中的谐波成分，减小温升，控制效果更优。

引  言近年来随着新能源汽车等行业的蓬勃发展和 “双减”政策的提出，电力行业越来越向低损耗、高效率、高密度的方向发展。同样随着新一代半导体材料的发展，以SiC、氮化镓为主导的宽禁带半导体元件应用得越来越多。传统的大功率电机控制器往往采用硅基IGBT作为其功率半导体元件。但其自身特性使得它存在着拖尾电流大、开关损耗高等问题，限制了其开关频率的提升，并且为了保护IGBT芯片，一般需要设定较大的死区时间[↓。而SiCMOSFET(后面简化为SiC)作为宽禁带半导体元件，由于其更低的开通关断时间，不仅可以大幅降低其死区时间，而且能提升电机控制器的开关频率，从而使控制器整体的相电流谐波含量少。配合矢量控制方法，能够有效优化控制器的  控制效果。对于超高速电机的应用越来越多，逐渐替代 了可靠性低和体积大的变速器机构。对于超高速 电机控制，由于谐波成分多，电机温升大的问题也 尤为突出。由于高速电机结构设计时不可避免地会致使相电感的设计值较小，导致其控制过程 中会产生更多的谐波成分，所以提升控制频率、抑 制温升也是高速电机控制的关键。此处采用SiC 的功率半导体器件，设计一款 峰值电流200 A的电机控制器，完成其控制电路 的设计及矢量控制驱动算法的开发，并将其与硅 基 IGBT 构成的控制器进行效率对比和分析。2  SiC MOSFET 电机控制器设计对于IGBT 器件，有着大电流通过能力、较大 的输入阻抗、高耐压等级。但其也有局限性，相较 MOSFET 器件有更慢的开关速度、更大的开关损 耗和导通损耗器件 耐压等级较低，这限制了其在高电压电机控制器 上的应用。
对于SiC 器件，拥有了更大的耐压、更快的开 关速度，便成为了理想的功率半导体元件。但由于 SiC 封装技术不成熟，其在大电流下的封装方法 更困难，成本增加，所以此处采用多个SiC 的并联 设计，以达到设计需求。2.1  器件选型针对不同厂家有着不同的SiC 产品。此处设 计要求中有母线电压和峰值相电流要求，故采用 IMW120R030M1H。这款SiC 有着-7~23 V 的栅极 耐受电压范围，1200V 的源漏极电压等级，30mΩ 的导通电阻，由于设计要求电流需达到200 A, 故 采用4管并联的方式。2.2  驱动电路设计永磁同步电机控制系统的首要要求就是驱动 电路的可靠性，有足够的拉灌电流能力，满足MOSFET的快速开关，驱动原理图见图1。驱动电 路设计方面此处采用磁隔离芯片1ED3124MU12H,它具有14 A 的拉灌电流能力，足以提供4个并联SiC芯片工作所需的栅极电荷量。驱动电源选择要根据SiC芯片的栅极耐压确定。芯片的导通电阻及导通压降与栅极电压与成反比，但过高的栅极电压也会影响SiC芯片寿命，故设计15V 作为SiC芯片开通电压。由于SiC的桥臂串扰现象更严重，相应需要进行负压关断设计。但SiC自身不耐负压，所以选用-3.5V 关断，在保证芯片栅极安全的前提下来减小串扰现象的发生。由于在更高的开关频率下，不可避免地会在电路中产生更大的du/dt,造成更大的电磁干扰，所以电路的隔离 设计也需提出更严苛的要求。2.3  驱动算法设计此处控制系统采用转速、电流双闭环架构与矢 量控制算法结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法 实现对电机转速的精准调控。并且采用结合了锁相 环的改进式滑模观测器，从采集的电流上提取转子 位置角度及速度值。转速外环与电流内环均采用比 例积分(PI) 控制，总体控制系统框图如图2所示。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/iaNhn3YxwL7z7eicUjJDaaKSRI5R833nL6hyGuRszniaHDCZbyQH3M05M8HGljjJjrQKlXkABGTwL7iaIby0l7sQpQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg3  效率分析对于全桥电机控制器，其损耗主要在功率器件 的开关损耗以及导通损耗上。功率器件在单次开关 损耗的功率为：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/iaNhn3YxwL7z7eicUjJDaaKSRI5R833nL6QsicT8fkiblnYnzAibM9icOxsicAHK0C4f1viaoEuzic0SUUPmT2nMTZ4hO1A/640?wx_fmt=png&from=appmsg开关损耗会随着控制频率、母线电压和电流 的提升而增大。但由于SiC 芯片相对IGBT 芯片存 在着开通和关断时间的减少，开关损耗也会降低。 表2为数据手册中的数据，即为此处对比的两种 功率芯片，分别为SiC 功率元件IMW120R030M1H和 IGBT 功率元件FF300R12KS4。其中开关损耗均 为每脉冲下的损耗值。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/iaNhn3YxwL7z7eicUjJDaaKSRI5R833nL60GibxR54oVl0OKXVUDNWeusx7EicrnZFe4SacicwYf6ibia8oS43FbLb6pA/640?wx_fmt=png&from=appmsg>

由表2数据可知，相比IGBT 器件，SiC 有更低 开关损耗和更快开关速度。功率器件存在一个正弦 周期导通半个周期的原因，故导通损耗功率为：4.3  电机控制器效率对比实验此处实验采用表2中的两种功率元件。在电 机转速5000r·min- ¹  下，分别加以不同的外部转  矩负载。各测3组后，通过功率仪得到控制器上损 耗功率值，取平均后可得损耗值P₁   如图5所示， 其中To为输出扭矩。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/iaNhn3YxwL7z7eicUjJDaaKSRI5R833nL6BEarZfQdFY1cH3LLeDczt1GeI3bjKQYXKpIeSj6gCl8yImx0EVe56A/640?wx_fmt=png&from=appmsg由于IGBT 相 比SiC 功率元件导通损耗以及 开关损耗更高，可以发现SiC 电机控制器有着更 低的总损耗。在输出0.6N·m 转矩时SiC 相较于 IGBT的控制器损耗降低了52%。不难分析在更大 负载下IGBT的功耗上升会更快，采用SiC 芯片作 为电机控制器有着更大的优势。4.4  电机温升实验向电机外部突加0.4N ·m 转矩，测电机定子 内部温升，加载总时长80s 后卸载，测得3组数 据，得两种控制器平均温升T 对比见图6。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/iaNhn3YxwL7z7eicUjJDaaKSRI5R833nL6SUBZc4EPU3DvS82KgCPuZOxjg9OBGIhDH1JOmqoHdkOicFfI8P4C2Mw/640?wx_fmt=png&from=appmsg>实验采用 SiC 控制器在40 kHz 控制频率，0.5μs   死区时间，IGBT控制器在20 kHz 控制频率 3  μs 死区时间。由图6可知，对于SiC 功率元件， 由于更低的THD, 所以定子中温升有明显的降低。采用SiC 控制器可以非常有效地降低电机温升， 在加载实验中电机加载工作80s 后的温升值相比 IGBT控制器有9%的下降。5  结  论由以上实验可知，由于SiC 元件相比IGBT 元  件有着更快的开关速度，故其能采用更快的开关 频率和更短的死区时间。无论是控制频率的提升 还是死区时间的减小都会大大降低电流中的谐波 成分。尤其由于高速电机自身电感值小，采用较低 的控制频率会有相比普通电机更大的谐波含量， 所以在高速电机的控制器设计中采用SiC 控制器 更佳，可以有效降低电机定子温升。由于SiC 控制 器的损耗更低，在控制器上的功率损耗有较大的 下降，采用SiC 控制器相比IGBT 控制器在控制器 损耗上也有明显降低。
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