使用脉宽调制 (PWM) 控制技术的电机驱动系统会在
逆变器中遇到高频
开关损耗，而高频电机损耗则与电流纹波相关。这意味着必须在系统级别上存在必须进行研究的权衡。为了了解这些电机损耗与开关频率的关系，进行了不同的研究。然而，其中大多数仅适用于绝缘栅双极
晶体管 (IGBT) 使用的频率，通常高达 20 kHz。
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英飞凌采用模拟和实验相结合的方法，利用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 宽带隙 (WBG)开关来研究较高开关频率对逆变器和电机效率（高达 50 kHz）的影响。本文考虑了所使用方法的细节，并讨论了模拟和实验测试的结果。
测试和测量设置
逆变器设计由使用三个子板模块实现的三个半桥组成。这种方法的优点是简化并加速了不同交换技术的测试。该逆变器具有六个独立的 55 mΩ 开关，具有 TOLL 封装器件选项中的 CoolGaN 600 V 增强模式功率晶体管和 CoolSiC 650 V，由 EiceDRIVER 2EDF7175F 双通道栅极驱动器驱动。
主板上隔离电源的低侧和高侧偏置电压可针对不同的宽带隙技术（SiC 18 V 和 GaN 10 V）进行调整。为了确保电机驱动逆变器中功率开关的控制，主板上的 XENSIV TLI4971 霍尔效应电流
传感器测量逆变器相电流。这些信号由 XMC XMC4400 微控制器处理，该微控制器还使用位置传感器对永磁同步电机 (PMSM) 速度执行磁场定向控制 (FOC)。
感应电动机充当涡流制动器，向感应电动机的绕组施加各种电流以修改轴扭矩。使用感应电机制动器还可以确保平稳的负载扭矩，同时防止齿槽效应。
用于评估WBG 开关器件影响的电路板和测试设置如图 1 所示。
图 1. 测试板和测量设备。图片由博多电力系统提供
逆变器功率损耗
当直流电转换为交流电时，电机逆变器中会损失能量。这是由逆变器组件中的电阻损耗、电力
电子器件中的开关损耗以及无源器件中的电磁损耗共同造成的。能量损失量取决于逆变器的设计和规格，并且与逆变器运行时的逆变器开关频率直接相关。
较高的开关频率会由于发生更多的开关事件而增加开关损耗。因此，选择合适的逆变器开关频率对于优化电机驱动系统的整体效率非常重要。终，为了确定特定电机逆变器设置的开关频率，需要进行折衷。选择帮助降低逆变器功率损耗的功率半导体器件技术取决于许多因素，包括电压、电流、开关频率、占空比、电压变化率 (dv/dt) 和栅极电阻 (Rg)。
图 2 显示了额定电压为 600-650 V 的 GaN 和 SiC 功率开关器件在 320 V 和 8 A 下从到开关频率运行的模拟功率损耗（使用 PLECS）。在较低频率 (5-10 kHz) 下，SiC 开关比 GaN 稍有优势。然而，在 20-50 kHz 范围内，与 SiC 相比，GaN 器件的功率损耗显着降低。然而，优化电机驱动系统的性能和效率还需要考虑电源技术和器件特性。
图 2. PLEC 模拟了不同开关器件在不同频率下的逆变器损耗。图片由博多电力系统提供 [PDF]
电机功率损耗
本研究的重点是电机高频损耗。使用连续低通滤波器的迭代过程将测量分为高频和低频分量。图 3 显示了辨别产生的电流测量结果。对于电压，也应用类似的分离过程。
图 3. 分离高频和低频电流。图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 4. 高频电流分量。图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 4 显示了执行电流调节后的高频相电流。正如预期的那样，开关频率越高，电流纹波的幅度就越低，电流纹波的减小也有助于减少电机中的能量损失。
高频运行时的电机功率损耗
电机驱动器中的高频功率损耗可以使用以下公式计算：
损
失
H
F
=
(
V
a
b
H
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I
a
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+
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3
图 5 显示了不同电机转速下不同开关频率下的高频功率损耗，其中 \(|I|=\sqrt{I^{2}_{d}+I^{2}_{q}} \）。900 rpm 和 50 kHz 时的高频损耗太小而无法显示。
结果表明，开关频率对高频电机损耗有明显影响，高频功率损耗显着降低。损耗发生在 1800 rpm 和 5 kHz 时。对于该工作点，损耗约为 12 W，而对于相同速度和 50 kHz 开关频率，损耗仅为 2 W，相当于节省了 10 W 功耗。
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图 5. 不同电机转速下的高频损耗。图片由博多电力系统提供 [PDF]
另一个关键结果是，高频损耗取决于电机的转速，这可能是由于速度更快时磁体中的涡流增加所致。铁损是随速度变化的另一个特征，磁滞随着电机速度的增加而增加，也会影响电机的功率损耗量。
整体系统损失
负载、速度和温度等参数会影响电机驱动系统的效率。减少相对于输出功率的能量损失可实现的电机运行效率。对高频电机和逆变器损耗组合的分析（图 6）表明，运行时开关频率为 20 kHz 时可实现工作点（电机驱动系统相对于其输出功率呈现损耗）在 1800 rpm 的标称速度和 50% 额定负载 (1.1 kW) 下。
保持尽可能接近这一点的运行对于限度地减少功耗至关重要。图 6 证实工作开关频率的选择需要在系统级进行评估。这种选择涉及到逆变器和电机中使用的设备技术的考虑。使用不同的开关技术可以改变工作开关频率和系统所经历的功率损耗。
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图 6. 确定总体系统损耗和工作点。图片由博多电力系统提供 [PDF]
WBG 开关器件总结
当使用宽带隙开关器件时，以更高开关频率运行的电机驱动系统可以提供更高的整体系统效率。然而，由于逆变器和电机损耗之间的折衷，应仔细选择开关频率。
实验结果表明，电机高频功率损耗在较高开关频率下会降低。然而，需要进一步分析高开关频率和更快转换（dv/dt、di/dt）下电机轴承和绕组寿命的影响。此外，较高开关频率对低频损耗的影响也需要进一步研究。
新的电机设计必须考虑 WBG 器件满足未来效率需求的潜力。此外，未来的电机设计还应有助于解决与较高开关频率相关的问题（例如，轴承和绕组的磨损等）。
