应用领域

APPLICATIONS

电机驱动

来源:瞻芯电子 发布时间:2020/09/14点击数:3265

变频调速(VFD)在工业和汽车领域得到了广泛的应用。其关键技术是利用半导体开关实现高频脉宽调制(PWM)。主要是在4到16khz的开关频率范围内工作的两电平逆变器产生三相正弦基波电压或电流来驱动电机。对于400V及以上的母线电压,IGBT占主导地位。随着宽频带间隙SiC MOSFET的出现,其优越的开关性能迅速引起电机驱动发展的高度关注。SiC MOSFET能够将开关损耗降低70%左右,或者在接近3倍的开关频率下达到同样的效率。SiC MOSFET,更像一个电阻,没有IGBTs的PN结电压降,这减少了导通损失,特别是在轻负载。随着更高的PWM频率和更高的电机驱动的基本频率的实现,电机可以设计成更多的极数,以减少电机的尺寸。在相同的输出功率下,8极电机的体积可以比2极电机缩小40%。高开关频率使得高密度电机设计能够实现。这些表现显示了SiC MOSFET在高速、高效、高密度电机驱动方面的巨大潜力。SiC MOSFET在特斯拉Model 3上的成功应用,标志着基于SiC的电机驱动时代的开始。SiC MOSFET将主导汽车牵引应用的趋势是毋容置疑的,特别是在800V电池汽车和在工业高端应用获得更多的份额。


为了充分利用SiC MOSFET的优点,开关速度(dv/dt)和开关频率应该比目前基于IGBT的解决方案提高一个数量级或更多。尽管SiC MOSFET具有巨大的潜力,但其应用仍受到现有电机技术和驱动系统结构的限制。大多数电机绕组电感高,寄生电容大。三相电缆连接电机和逆变器基本上形成了LC电路,如下图所示。在逆变器输出端的高dv/dt电压可以激发LC电路振荡,而在电机末端的电压尖峰可高达逆变器输出电压的两倍。这会在电机绕组上增加不少的电压应力。


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当逆变器直接连接到电机,电缆电压振荡不再存在。然而,如图所示,高的dv/dt电压变化会直接施加到绕组上,导致绕组老化加速。此外,高dv/dt电压会诱发轴承电流,导致轴承腐蚀和早期失效。


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绕组匝间高dv/dt偏压                                       高的dv/dt会诱发轴承电流


另一个潜在的问题是EMI问题。高的dv/dt和高的di/dt会诱发更高的电磁干扰辐射。所有IGBT和SiC解决方案的设计都需要考虑这些影响。


为了缓解这些问题,开发了不同的技术。如果电机和逆变器驱动器必须分离,dv/dt边缘滤波器或正弦滤波器是一种有效的解决方案,但会增加一些成本。自从IGBT逆变器上市以来,电机的设计一直在改进。通过使用更好的绝缘漆包线,改进电机线圈绕组结构和屏蔽方法,电机抗dv/dt能力从最初的几个V/ns有了很大提高,最终将达到40-50V/ns的目标。基于SiC器件的逆变器效率很高,在40kHz时效率通常达到98.5%,在20kHz时效率通常达到99%。由于驱动器损耗小,集成电机驱动器成为可行的和有吸引力的系统解决方案,它消除了所有电缆和终端连接,并降低了系统体积和成本。全封闭变频器驱动电机是减少电磁干扰的有效途径。通过接地弹簧或电刷使电机的轴与定子短路,可以旁路轴承电流。紧凑高效、重量轻、集成化的电机驱动广泛应用于工业机器人、机载、水下无人机等领域。


除了驱动系统尺寸的减少,SiC MOSFET也使高速驱动成为可能。高速驱动器在汽车、航空航天、搅拌、泵和压缩机方面应用获得了越来越多的关注。高速驱动器已经成为一些上述应用的最新技术,而在一些小众应用中,高速驱动器的采用提高了产品的性能、质量和创新性。


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集成驱动应用


为了提供平滑的正弦波驱动,VFD开关频率需要至少比交流电流频率高50倍。开关频率、极对和电机转速之间存在如下关系:


f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60


即对于普通四极电机,要达到10 krpm, f_PWM需要为16.6kHz,这大约是IGBT的极限开关频率。因此,对于任何电机速度超过10 krpm, SiC MOSFET成为了首选或唯一有效的选择。为了提高电机功率密度,通常需要增加极对数,这就需要更高的PWM开关频率。碳化硅的使用将推进新一轮的电机设计的改良和创新。


[1] R. Abebe, M D. Nardo, D. Gerada, G. L. Calzo, L. Papini, C. Cerada, “High Speed Drives Review: Machines, Converters and Applications,” IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.


[2]“Effect of Variable Frequency Drive on motor insulation,” http://www.vfds.org/effect-of-vfd-on-motor-insulation-745078.html.


[3] “Effects of AC Drives on Motor Insulation,” ABB Group.


[4] E. Velander  , G. Bohlin ; Å. Sandberg , T. Wiik , F. Botling ,M. Lindahl ,G. Zanuso ,H.-P. Nee  “An Ultralow Loss Inductorless dv/dt Filter Concept for Medium-Power Voltage Source Motor Drive Converters With SiC Devices,” IEEE Transactions on Power Electronics ( Volume: 33 , Issue: 7 , July 2018 )


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