高开关频率对电机驱动系统的影响

以下文章来源于电源设计实战派，作者小张

硅和宽带隙 (WBG) 半导体的进步彻底改变了电源转换器，使逆变器能够以高达几百千赫兹甚至兆赫兹的频率运行，同时大幅降低动态损耗。单从电动机来看，更高的开关频率可以提高电动机效率、减少扭矩波动并改善控制响应。

然而，要了解增加开关频率对电机驱动系统的影响，必须考虑逆变器和电机之间复杂的相互作用。本文将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，可以深入了解它们在整个运行范围内的性能。

电动发电机测试平台

两种不同的设置用于探索电机驱动器中高开关频率的优势。第一个电机发电机平台基于电钻电机，而第二个平台采用无芯电机。

两款电机的规格如下表所示：

两种设置（图 1）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。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。此设置使我们能够评估不同功率水平下的电机驱动器。

图 1：带和不带定子铁芯的 48 V 电动发电机测试装置（来源：Kempitiya 等，2024 年）

自动测试序列

当以下四个参数发生变化时，采用自动化测试程序进行全面分析：

电机转速

扭矩

逆变器开关频率

死区时间

图 2 显示了获得的波形，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（来源：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，以了解电机驱动系统的行为。

测量结果

逆变器效率

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。

电机效率

更高的开关频率也对两种系统的电机效率产生了积极影响。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。

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核心的逆变器效率损失。唯一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。

讨论

这项研究的结果为高开关频率下电机驱动系统的效率和性能提供了一些实用见解。其中一个关键结论是无芯系统的效率显著提高，这得益于其更高的功率因数。逆变器效率的提高，特别是在高负载条件下，表明无芯电机在最大化功率输出至关重要的应用中可能具有极大的优势。

此外，结果证实，更高的开关频率可以有效降低电机损耗，尤其是谐波损耗，从而提高系统整体效率。这在无芯系统中尤为明显，因为没有磁滞损耗，因此可以更清楚地观察到降低谐波损耗的好处。这些发现凸显了 WBG 半导体（例如无芯系统中使用的半导体）作为高频逆变器的理想选择的潜力。

有趣的是，电机和系统功率损耗之间的比较揭示了对不同速度和开关频率下电机性能的细微理解。与传统观点相反，该研究表明，具有较低 L/R 时间常数的电机（例如无芯电机）更适合特定开关频率下的较低电机速度。这与普遍接受的信念大相径庭，即无芯电机由于其固有的较低电感和较高电阻，在较高速度下性能更好。相比之下，具有铁芯和较高 L/R 比的电机在较高速度下表现出优异的性能，其中谐波损耗的减少变得更加明显。