随着硅和宽带隙（WBG）半导体技术的不断进步，电源转换器领域发生了翻天覆地的变化。这些技术的革新使得逆变器能够以高达几百千赫兹甚至兆赫兹的频率运行，同时还能大幅降低动态损耗。从电动机的角度来看，更高的开关频率能够提高电动机效率、减少扭矩波动并改善控制响应。然而，要全面了解增加开关频率对电机驱动系统的影响，就必须考虑逆变器和电机之间复杂的相互作用。本文将详细研究两种电机驱动系统（一种带有定子铁芯，一种不带有定子铁芯）在不同条件下的运行情况，通过比较分析，深入探究它们在整个运行范围内的性能表现。
为了探索电机驱动器中高开关频率的优势，研究人员采用了两种不同的设置。个电机发电机平台基于电钻电机，第二个平台则采用无芯电机。两款电机的规格如下表所示：
| 电机类型 | 相关规格 |
|---|
| 基于电钻电机的平台 | [具体规格待补充] |
| 无芯电机平台 | [具体规格待补充] |
这两种设置（如图 1 所示）均由使用英飞凌 100 - V 4 - mΩ OptiMOS 硅技术构建的三相逆变器驱动。同时，使用两个 XMC 4400 驱动卡实现传感器磁场定向控制，分别以速度和扭矩控制模式控制电机和发电机逆变器。这样的设置使研究人员能够评估不同功率水平下的电机驱动器性能。
为了进行全面分析，研究人员采用自动化测试程序，当以下四个参数发生变化时进行测试：电机转速、扭矩、逆变器开关频率和死区时间。图 2 展示了获得的波形，该波形适用于具有定子铁心的两个不同的逆变器开关频率（20 kHz 和 100 kHz）和两个死区时间（25 ns 和 100 ns）的电机，同时保持恒定的 2,000 kRPM 电机速度。
图 2：带定子铁芯的电机自动测试程序产生的波形 (Kempitiya 等，2024 年)
为了在整个测试过程中保持一致的电机绕组温度并减轻温度变化对测试结果的影响，在每个扭矩曲线步骤之后都安排了一段休息时间。在整个测试过程中，逆变器、电机和系统效率在各种条件下进行测量并进行分析，以深入了解电机驱动系统的行为。
- 逆变器效率：测试结果显示了两个测试平台的逆变器效率曲线。比较这两个系统时，无铁芯电机系统的有效功率因数更高，从而导致逆变器效率更高。对于高负载条件下逆变器总功率损耗约为 20 W 的情况，无芯系统可分别在电机转速为 2 kRPM 和 6 kRPM 时产生 2.3 倍至 2.6 倍的逆变器输出功率。这表明无芯电机系统在高负载情况下能够更有效地利用电能，提高逆变器的工作效率。
- 电机效率：更高的开关频率对两种系统的电机效率都产生了积极影响。这种改进主要归因于更高开关频率下磁滞和谐波损耗的减少。无芯系统尤其表现出显著的电机效率提升，因为没有磁滞损耗，谐波损耗成为主导因素。有趣的是，尽管无芯系统的电机绕组时间常数大约高出 10 倍，但产生的谐波相关电机损耗却更多。例如，在电机转速为 2 kRPM 时，无芯电机产生的损耗是其 2.1 倍，而等效逆变器输出功率约为 220 W。尽管如此，趋势表明，随着开关频率的增加，无芯系统中的电机效率会显著提高。这说明在高开关频率下，无芯电机能够更好地减少谐波损耗，从而提高电机效率。
- 系统效率：系统效率曲线突出表明，与使用 GaN 和 OptiMOS 的系统不同，随着开关频率的增加，逆变器效率下降更为显著。尽管电机效率在所有速度下都有所提高，但这种提高往往无法抵消系统中带有的逆变器效率损失。的例外发生在较低功率水平和 6kRPM 的电机速度下，此时系统效率在更高的开关频率下有所提高。对于无芯系统，系统效率在所有速度下均有所提高，在更高的开关频率下运行时，效率可提高约 10%。与电机效率类似，系统功率损耗在所有速度下都较高，但在 2kRPM 时除外，此时无芯系统可以产生 1.1 倍以上的逆变器输出功率，而等效系统功率损耗约为 39W。这表明无芯系统在高开关频率下能够更有效地提高系统整体效率。
