两相电压源逆变器的三种不同方案

48 V两相电动机驱动器是低成本微型机动或微型混合动力推进系统的合适选择。1这是因为整个框架是高效且具有成本效益的。由于直流母线电压低，因此对于建议的框架而言，工作电流相对较高。由于它是电流密集型系统，因此需要使用大容量电容器来减少直流母线电压纹波。为了确保可靠的框架，必须研究功率转换器的调制方案，直流链路电容和热响应。

本文将讨论两相电压源逆变器的三种不同方案。此外，它将比较和分析所讨论拓扑的调制方案，调制比，电流应力和直流母线电压纹波。

图1：目标方案

图1显示了将在本文中讨论的目标方案。

这些方案分类为：

• 三足式配置
• 两脚配置，带分离式直流母线电容器
• 四脚配置，无零线

由于中性点电流比相电流高1.414倍，因此需要在两脚配置中使用大型DC链路电容器来稳定中性点电压。另一方面，与两腿配置相比，四腿配置具有更高的调制比，但是每增加一条腿都会增加系统成本和复杂性。在四足拓扑中使用的两相机加工必须具有开放式绕组。三脚配置类似于常规的三相电压源转换器，但是在两相配置中，第三脚的电流比其他两个脚的电流高1.414倍。

为了优化整体效率，总成本和功率密度，硅开关和宽带隙器件之间存在竞争。尽管诸如GaN HEMT的宽带隙器件已在许多电力电子应用中广泛采用，但高成本，高dV / dt和可靠性问题限制了它们在48 V电机驱动系统中的实现。2–5硅MOSFET模块具有低成本，低杂散电感和良好的散热能力的优势，这对于低成本48V电机驱动系统具有吸引力。6-8比较这两个基于硅MOSFET模块的功率转换器具有更多功能。本文将讨论设计两相功率转换器时的硅MOSFET模块。

两相功率转换器的操作

图1显示了本文涵盖的两相电压源的不同拓扑。所有这些拓扑都有不同的调制方案，电流应力和DC链路电容器要求。重要的是要考虑这些拓扑的优缺点。

空间矢量脉冲调制通常集成在电机驱动系统中。所讨论拓扑的调制图如图2所示。当参考电压与多边形相切时，可以达到最大相电压幅值。

图2：调制图

在两相系统中，中性点电流比相电流高1.414倍。这是因为与其他两种拓扑相比，三分支拓扑中的电流应力较高，因为第三分支用作中性线电流的返回路径。在两脚和四脚配置中，峰值相电流是开关的最大电流。但是，由于有第三支脚，三支脚配置中的电流应力比峰值相电流高1.414倍。

为了分析直流母线电容器上的电压纹波，假定在直流电压源和直流母线电容器之间存在一个杂散电容器，如图1所示。在大多数应用中，直流母线之间存在合理的杂散电感电压源和直流母线电容器。由于这种杂散电感，直流电压源的输入电流是恒定的。直流母线的输出电流包含高频脉动分量，该分量由SVPWM方案的开关模式确定。DC-link电容器的目的是吸收高频电流纹波，并且DC-link电容应足够大以稳定DC-link电压。9（对于常规的三相转换器，在参考文献9中已充分研究了电压纹波与DC链路电容之间的关系。）对于固定电压，DC链路电压与相电流成正比，与开关频率成反比直流母线电容。总体而言，在相电流较大时需要使用高价值的直流母线电容器，以最大程度地减小电压纹波。

设计过程

本节讨论了6.8 kW三足功率转换器的系统设计。

栅极驱动器设计
自举电路由于其简单性和低成本而被用于基于MOSFET的功率转换器的栅极驱动器中。图5显示了自举栅极驱动器电路。在该电路中，电容器上的电压受功率半导体上电压降的影响，继而使导通电压不稳定。此外，该电路不能提供安全关闭功率半导体所需的安全特性。上述问题使基于自举电路的栅极驱动器的可靠性令人怀疑。可靠的栅极驱动器在电流密集型系统中至关重要。为此，未稳压的推挽转换器用于产生5V浮动电压。为了开启硅MOSFET，内置了一个升压转换器以将浮动电压提升至15V。

图3：隔离式栅极驱动器

功率级设计
两相三足转换器的功率级中包含直流母线电容器和功率半导体。功率转换器设计选择了硅MOSFET模块FM 400TU-07A。10选择的开关频率为25 kHz，因此损耗不会太高。直流母线电容应足够大，以抑制直流母线上的电压纹波。

控制级设计
转换器的控制部分包括微控制器，传感器和信号调节电路。具有成本效益的微控制器TMS320F280049C用于48 V两相转换器，因为它具有成本效益，并在100 MHz的CPU频率下运行。霍尔电流传感器用于测量相电流。但是在大电流测量的情况下，霍尔效应电流传感器的磁芯占用了太多空间，因此导致尺寸增大。为了减小尺寸，实现了带有隔离放大器的并联电阻，用于测量相电流，如图4所示。

图4：相电流的测量

结论

本文详细讨论了48V两相电源转换器的设计。在三种不同的拓扑结构中比较了由直流母线引起的电压纹波。在分析了三种不同的拓扑之后，选择了三足式配置以详细说明设计过程。设计过程详细描述了栅极驱动器，电源和控制级的设计。经过对所提出设计的实验，波形和热分布图验证了所提出系统的设计和可靠性。

参考文献
1用于48V汽车应用的6.8kW两相转换器的设计。陈天宇，卡洛斯·卡塞多·纳尔维斯，陈鹏远，阿米尔·帕萨普尔，巴巴克·法米米（Babak Fahimi）电气和计算机工程，德克萨斯大学达拉斯分校，美国德克萨斯州理查森，美国

2 K. Shenai。“宽带隙（WBG）半导体功率开关器件的未来前景。” IEEE Transactions on Electron Devices 62，No.2（2014）：248–257。

3 E. A. Jones，Z。Zhang和F. Wang。“增强型GaN FET的dV / dt瞬态分析。” 2017 IEEE应用功率电子会议暨展览会（APEC），第2692至2699页。IEEE，2017年。

4陆俊杰和陈大同。“在10kW–100kW系统中并联GaN E-HEMT。” 2017 IEEE应用功率电子会议暨展览会（APEC），第3,049–3,056页。IEEE，2017年。

5 M. Tapajna，O。Hilt，E。Bahat-Treidel，J。Wurfl和J. Kuzmik。“在正向偏置应力下，常关型p型GaN盖/ AlGaN / GaN HEMT中的栅极可靠性研究。” IEEE电子设备快报37，第4号（2016）：385–388。

6 O. Muhlfeld和FW Fuchs。“借助PEEC仿真，可以优化三相MOSFET电源模块中的杂散电感。” 2009年，第13届欧洲电力电子与应用会议，第1至7页。IEEE，2009年。

7 B. Yang，J。Wang，S。Xu，J。Korec和ZJ Shen。“先进的低压功率MOSFET技术，用于封装应用中的电源。” IEEE Transactions on Power Electronics 28，第9号（2012）：4,202–4,215。

8 Y. C. Gerstenmaier，A。Castellazzi和GKM Wachutka。“具有新型瞬态热模型和时变边界条件的多芯片模块的电热仿真。” IEEE Transactions on Power Electronics 21，第1号（2006）：45-5

9 T. Chen，S。Li和B. Fahimi。“没有电解电容器的电压源逆变器中的直流链路电压纹波分析。” IECON 2018年第44届IEEE工业电子学会年度会议，第1,041–1,048页。IEEE，2018年10三菱电机。“ FM400TU-07A大功率开关使用绝缘封装”，FM200TU-07A数据表，2006年5月。

编辑：hfy