SiC控制器研究現(xiàn)狀

 

　　SiC控制器能夠工作在更快的開(kāi)關(guān)頻率和更快的開(kāi)關(guān)速度，但是SiC器件對(duì)電力電子系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響之一是會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的橋臂串?dāng)_現(xiàn)象，情況惡時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電路直通、燒毀器件，嚴(yán)重影響控制性能。國(guó)內(nèi)外的眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)SiC器件在高頻高壓下產(chǎn)生的高頻振蕩及其寄生參數(shù)對(duì)SiC MOSFET開(kāi)關(guān)特性的影響做出了研究與改進(jìn)。

 

　　南京航空航天大學(xué)秦海鴻教授團(tuán)隊(duì)分別研究了寄生電容與寄生電感對(duì)SiC MOSFET器件開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響得出結(jié)論：寄生電容參數(shù)主要對(duì)開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間及其能量損耗影響較大，寄生電感參數(shù)則對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中波形振蕩及電壓尖峰的影響較大，為后續(xù)設(shè)計(jì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路做出了理論指導(dǎo)。

 

　　中國(guó)運(yùn)載火箭研究所分析了SiC MOSFET單相橋式電路中橋臂串?dāng)_問(wèn)題的原理，然后討論了空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法對(duì)三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相間串?dāng)_問(wèn)題的影響，并設(shè)計(jì)了增加了輔助驅(qū)動(dòng)的自主式串?dāng)_抑制電路，如圖1-4所示，實(shí)驗(yàn)證明可以有效抑制三相橋式電路上下橋臂串?dāng)_，但每一相電路中都增加了兩路控制信號(hào)，無(wú)疑增加DSP控制算法的復(fù)雜性，降低計(jì)算速度。

 

　

 

　　北京交通大學(xué)提出了一種低柵極關(guān)斷阻抗驅(qū)動(dòng)器來(lái)抑制橋臂間的串?dāng)_，在該驅(qū)動(dòng)器中增加兩個(gè)額外的電容來(lái)產(chǎn)生低關(guān)斷柵極阻抗。該驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)共源寄生電感與門(mén)極回路的解耦， 并可旁路柵漏電容的位移電流。由于柵極驅(qū)動(dòng)電路中引入了電容， 能夠引起更加劇烈的柵源極之間的電壓振蕩。

 

　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析了漏源電壓寄生電感對(duì)橋臂串?dāng)_與電壓震蕩的影響，提出了PPCAC門(mén)極驅(qū)動(dòng)方案并用電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。該電路在原有驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上增加輔助推挽電路，每一相電路中均增加４個(gè)功率器件，增加了驅(qū)動(dòng)電路的損耗，可能會(huì)使發(fā)熱加劇。

 

 

　　目前在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，SVPWM是現(xiàn)在逆變器控制的研究熱點(diǎn)，是逆變器控制中使用最普遍的調(diào)制策略，其主要思想為采用逆變器空間電壓矢量的切換已獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在開(kāi)關(guān)頻率不高的情況下，在定子線圈中產(chǎn)生三相互差１20°電角度、失真度較小的正弦電流波形。

 

　　然而，SVPWM制策略下的電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高頻共模電壓，共模電壓耦合所產(chǎn)生的共模電流不僅是導(dǎo)致電機(jī)損壞的重要因素之一，而且共模電壓通過(guò)寄生電容與雜散電感的耦合與機(jī)殼、大地等形成回路，能夠產(chǎn)生高頻漏電流，此髙頻漏電流所帶來(lái)的傳導(dǎo)干擾是電機(jī)控制系統(tǒng)電磁干擾（EMI）的重要來(lái)源。有文獻(xiàn)指出由于SiC MOSFET工作在20KHz以上的高頻領(lǐng)域，基于SiC功率器件的電機(jī)控制系統(tǒng)的電磁干擾比采用硅基功率器件的控制系統(tǒng)更為嚴(yán)重。

 

　　共模電壓的抑制方法主要有無(wú)源抑制和有源抑制兩種方式。無(wú)源抑制方法是通過(guò)增加硬件的方式，設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器件來(lái)抑制共模電流，這樣無(wú)可避免會(huì)增加控制器的體積，增加損耗，降低控制器的功率密度。有源抑制方式則是通過(guò)軟件的方式，改變逆變器的調(diào)制策略，減少零矢量的作用時(shí)間來(lái)抑制共模電壓。通過(guò)根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的原理，目前常用的抑制共模電壓調(diào)制策略有RSPWM(Remote-State PWM)、AZSPWM1、AZSPWM3、NSPWM等幾種不同的逆變器調(diào)制策略。根據(jù)文獻(xiàn)分析，RSPW調(diào)制策略直流電壓利用率較低，工程上并不經(jīng)常采用；RSPW只在高調(diào)制區(qū)域內(nèi)有效，低調(diào)制區(qū)不起作用，AZPWM1與AZPWM3輸出電壓諧波較高。有文獻(xiàn)提出了一種不對(duì)稱(chēng)無(wú)零矢量脈寬調(diào)制方法（NZPWM），考慮了死區(qū)效應(yīng)，抑制了死區(qū)發(fā)生時(shí)的共模電壓尖峰。有文獻(xiàn)提出了一TSPWM調(diào)制策略，將調(diào)制區(qū)域分為高調(diào)制區(qū)與低調(diào)制區(qū)，分別引入不同的無(wú)零矢量脈寬調(diào)制策略，提高了調(diào)制范圍。也有從減少開(kāi)關(guān)損耗和降共模電壓的角度入手，提出了一種旋轉(zhuǎn)三態(tài)脈寬調(diào)制（RTSPWM）技術(shù)，在開(kāi)關(guān)頻率為100kHz的情況下進(jìn)行小樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了RTSPWM調(diào)制技術(shù)在性能上的優(yōu)越性。有文獻(xiàn)提出了一種針對(duì)于碳化硅三相逆變器的新型脈寬矢量調(diào)制策略，它可以根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù)而發(fā)生變化，改變調(diào)制算法的調(diào)制脈寬。

 

 

　　功率器件的橋臂串?dāng)_現(xiàn)象是指在橋式電路中，同一橋臂的其中一個(gè)器件的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程會(huì)對(duì)另外一個(gè)器件的柵源極驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生影響。對(duì)SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線的分析中，我們己經(jīng)了解到SiC MOSFET的正向驅(qū)動(dòng)電壓閾值為2V左右。器件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往存在某些特殊環(huán)境，其閾值電壓甚至低于1.8V。SiC MOSFET有著較低的閾值電壓，卻擁有更快的開(kāi)關(guān)速度，極高的dVGS/dt沿很容易導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通，出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象，致使系統(tǒng)短路、器件損壞。同時(shí)SiC MOSFET的負(fù)向最大承受電壓也遠(yuǎn)低于Si器件，為了防止器件發(fā)生擊穿，我們不僅需要注意正向串?dāng)_電壓，也要抑制負(fù)向串?dāng)_電壓。

 

 

　　為了抑制橋臂串?dāng)_現(xiàn)象給器件帶來(lái)的負(fù)面影響，在橋式電路中使用SiC MOSFET時(shí)，需要增加串?dāng)_抑制措施。目前工程常用串?dāng)_抑制措施主要有以下三種：

 

　?。ǎ保┰龃髺艠O驅(qū)動(dòng)電阻。由析可得，柵極驅(qū)動(dòng)電阻越大，電壓、電流波形越平緩，這種方式主要是通過(guò)降低dv/dt出來(lái)降低串?dāng)_尖峰，同時(shí)具有抑制振蕩的效果。但增大驅(qū)動(dòng)電阻也會(huì)降低器件的開(kāi)關(guān)速度，增加器件的開(kāi)關(guān)損耗，這種做法會(huì)降低SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)性能，并不適合。

 

　?。ǎ玻┰龃髺旁礃O并聯(lián)電容，如圖2-11所示。由公式（2-7）與公式（2-8）分析可知，無(wú)論是正向最大串?dāng)_電壓還是負(fù)向最大串?dāng)_電壓，其絕對(duì)值均與器件柵源并聯(lián)電容成反比，因此增大柵源并聯(lián)電容可以有效降低正、負(fù)向橋臂間串?dāng)_尖峰。但由于ＣGS會(huì)與器件以及電路中的寄生電感作用，ＣGS增大會(huì)使開(kāi)通時(shí)間拉長(zhǎng)，并增加開(kāi)通關(guān)斷能量損耗。

 

　

 

　

 

　?。ǎ常┴?fù)壓關(guān)斷。使用負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)拉低正向串?dāng)_電壓尖峰，防止發(fā)生橋臂直通事故。然而SiC MOSFET的負(fù)向閾值電壓不超過(guò)－10V，使用負(fù)壓關(guān)斷并不能抑制負(fù)向串?dāng)_電壓尖峰，器件則有可能在因超出負(fù)向耐壓而被擊穿。同寸，負(fù)壓關(guān)斷對(duì)于串?dāng)_尖峰的抑制效果有限，并不能只靠負(fù)壓關(guān)斷來(lái)抑制橋臂串?dāng)_。

 

 

　　除了以上三種方式經(jīng)常被工程采用之外，研究人員也對(duì)密勒鉗位抑制電路進(jìn)行了研究分析。如圖2-12所示電路通過(guò)輔助晶體管串聯(lián)電容的方式抑制橋臂正向串?dāng)_，同時(shí)不降低開(kāi)關(guān)速度，但此電路只考慮了正向串?dāng)_，卻并不能抑制負(fù)向串?dāng)_。此外還有采用輔助MOS管并聯(lián)電容的方式，但這種方式則會(huì)增加電路控制復(fù)雜度，降低DSP運(yùn)行速度。此外目前驅(qū)動(dòng)芯片也帶有鉗位抑制電壓接口，但所針對(duì)串?dāng)_電壓為2V之內(nèi)，若串?dāng)_電壓超過(guò)2V，鉗位電路失效，因此，仍然需要與串?dāng)_抑制電路相結(jié)合。

 

　

 

　　新型串?dāng)_抑制電路

 

　　新型串?dāng)_抑制電路綜合對(duì)橋臂串?dāng)_原理的分析，山東大學(xué)宗莎莎在碩士論文“基于SiC逆變器的電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究”中在以上串?dāng)_抑制措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如圖2-13所示的新型串?dāng)_抑制電路（以下橋臂為例）。

 

　　永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

 

　　相比于異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有體積小、效率高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較好，適合于高轉(zhuǎn)矩、高負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)景，因此在大功率新能源汽車(chē)中使用較為廣泛。永磁同步電機(jī)的重要組成部分為定子和轉(zhuǎn)子，定子部分由定子鐵芯、三相交流繞組及機(jī)座構(gòu)成，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體及轉(zhuǎn)軸三部分構(gòu)成，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中被磁力線切割進(jìn)而產(chǎn)生（輸出）電流。根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體在電機(jī)中放置位置的不同，永磁同步電機(jī)可以分為表貼式、嵌入式及內(nèi)置式三種結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示。

 

 

　　圖3-1(a）所示為表貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磁路對(duì)稱(chēng)，永磁鐵直接貼附在轉(zhuǎn)子鐵芯的表面，制造成本低廉。但是表貼式電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程無(wú)磁阻轉(zhuǎn)矩，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率密度的提高，在高速汽車(chē)中較少應(yīng)用。圖3-1（b）表面內(nèi)嵌式及（c）內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均為凸極式永磁同步電機(jī)，交、直軸磁路不對(duì)稱(chēng)，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速，新型電動(dòng)汽車(chē)中使用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)較多，山東大學(xué)宗莎莎的碩士論文“基于SiC逆變器的電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究”同樣采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。

 

　　山東大學(xué)宗莎莎的碩士論文“基于SiC逆變器的電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究”對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合研究。討論了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)并對(duì)永磁同步電機(jī)在三相坐標(biāo)下及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析。針對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，選擇了矢量控制方式，分析了幾種不同的控制策略，并重點(diǎn)對(duì)MTPA及弱磁控制方式進(jìn)行了分析。建立了電機(jī)在不同運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的控制策略數(shù)學(xué)模型，選擇直接弱磁法對(duì)電機(jī)定子電流進(jìn)行計(jì)算。對(duì)直接弱磁控制的控制算法流程進(jìn)行了詳盡的分析，參考所建立數(shù)學(xué)模型在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建了整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型，并在電機(jī)基速及弱磁擴(kuò)速區(qū)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流進(jìn)行了分析， 驗(yàn)證了控制算法的有效性及所搭建模型的正確性。較為詳細(xì)地分析了逆變器矢量調(diào)制策略的原理及實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)現(xiàn)有抑制共模電壓的矢量調(diào)制策略無(wú)法提高直流電源利用率的問(wèn)題，TSPWM做出了優(yōu)化與改進(jìn)：設(shè)計(jì)了TSPWM的過(guò)調(diào)制策略，主要運(yùn)用電壓重構(gòu)的思想；對(duì)于TSPWM策略中低調(diào)制區(qū)域因死區(qū)帶來(lái)的電流畸變問(wèn)題進(jìn)行了死區(qū)補(bǔ)償，改善了電流波形。在Matlab/Simulink中搭建了矢量調(diào)制模型，仿真實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)型TSPWM調(diào)制策略的有效性。

 

　　硬件部分對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的主控電路板、驅(qū)動(dòng)板及功率板進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主控芯片采用了TI公司的32位DSP芯片TMS320F28335PGFA，轉(zhuǎn)子角度通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)解碼芯片獲得。驅(qū)動(dòng)芯片采用SiC MOSFET專(zhuān)用芯片ADuM4135，并設(shè)計(jì)了去飽和檢測(cè)電路。軟件部分主要對(duì)主程序及主中斷程序流程進(jìn)行了介紹，對(duì)逆變器調(diào)制部分程序進(jìn)行了流程說(shuō)明。最后對(duì)新型串?dāng)_抑制電路及改進(jìn)型逆變器調(diào)制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

 

 

　　山東大學(xué)宗莎莎的碩士論文“基于SiC逆變器的電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究”對(duì)SiC MOSFET器件驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了研究分析，并對(duì)基于SiC逆變器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)制策略進(jìn)行了深入研究，由于各方面原因，文章仍存在許多未解決問(wèn)題需要進(jìn)一步完善研究：

 

　?。ǎ保┱撐膶?duì)影響SiC MOSFET開(kāi)關(guān)特性的研究較為淺層，僅對(duì)驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行了分析，特性分析比較簡(jiǎn)單基礎(chǔ)。對(duì)于更加深入細(xì)致的問(wèn)題，如寄生電感及電容對(duì)器件電壓振蕩及串?dāng)_等現(xiàn)象的影響，在減少寄生電感的電磁兼容方面后續(xù)還需進(jìn)一步深入研究。

 

　　（２）直接弱磁法對(duì)電機(jī)參數(shù)要求較高，然而電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的工況中，受溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)的影響，電機(jī)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這涉及電機(jī)控制中自適應(yīng)算法的研究，這是未來(lái)研究方向之一。

 

　　（３）論文只針對(duì)有源抑制共模電壓方式進(jìn)行了研究，并未結(jié)合無(wú)源EMI濾波器對(duì)共模電壓產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行分析，有待后續(xù)深入研究。

 

　　參考文獻(xiàn)：宗莎莎，基于SiC逆變器的電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究【D】，山東大學(xué)，2021