以下文章來源于電源設(shè)計實戰(zhàn)派，作者小張

硅和寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的進(jìn)步徹底改變了電源轉(zhuǎn)換器，使逆變器能夠以高達(dá)幾百千赫茲甚至兆赫茲的頻率運行，同時大幅降低動態(tài)損耗。單從電動機(jī)來看，更高的開關(guān)頻率可以提高電動機(jī)效率、減少扭矩波動并改善控制響應(yīng)。

然而，要了解增加開關(guān)頻率對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的影響，必須考慮逆變器和電機(jī)之間復(fù)雜的相互作用。本文將研究兩種電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)（一種帶有定子鐵芯，一種不帶有定子鐵芯）在不同條件下的運行情況。通過比較分析，可以深入了解它們在整個運行范圍內(nèi)的性能。

電動發(fā)電機(jī)測試平臺

兩種不同的設(shè)置用于探索電機(jī)驅(qū)動器中高開關(guān)頻率的優(yōu)勢。第一個電機(jī)發(fā)電機(jī)平臺基于電鉆電機(jī)，而第二個平臺采用無芯電機(jī)。

兩款電機(jī)的規(guī)格如下表所示：

兩種設(shè)置（圖 1）均由使用英飛凌 100-V 4-mΩ OptiMOS 硅技術(shù)構(gòu)建的三相逆變器驅(qū)動。使用兩個XMC 4400驅(qū)動卡實現(xiàn)傳感器磁場定向控制，分別以速度和扭矩控制模式控制電機(jī)和發(fā)電機(jī)逆變器。此設(shè)置使我們能夠評估不同功率水平下的電機(jī)驅(qū)動器。

圖 1：帶和不帶定子鐵芯的 48 V 電動發(fā)電機(jī)測試裝置（來源：Kempitiya 等，2024 年）

自動測試序列

當(dāng)以下四個參數(shù)發(fā)生變化時，采用自動化測試程序進(jìn)行全面分析：

電機(jī)轉(zhuǎn)速

扭矩

逆變器開關(guān)頻率

死區(qū)時間

圖 2 顯示了獲得的波形，該波形適用于具有定子鐵心的兩個不同的逆變器開關(guān)頻率（20 kHz 和 100 kHz）和兩個死區(qū)時間（25 ns 和 100 ns）的電機(jī)，同時保持恒定的 2,000 kRPM 電機(jī)速度。

圖 2：帶定子鐵芯的電機(jī)自動測試程序產(chǎn)生的波形（來源：Kempitiya 等，2024 年）

為了在整個測試過程中保持一致的電機(jī)繞組溫度并減輕溫度變化對測試結(jié)果的影響，在每個扭矩曲線步驟之后都安排了一段休息時間。在整個測試過程中，逆變器、電機(jī)和系統(tǒng)效率在各種條件下進(jìn)行測量并進(jìn)行分析，以了解電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的行為。

測量結(jié)果

逆變器效率

結(jié)果顯示了兩個測試平臺的逆變器效率曲線。比較這兩個系統(tǒng)時，無鐵芯電機(jī)系統(tǒng)的有效功率因數(shù)更高，從而導(dǎo)致逆變器效率更高。

對于高負(fù)載條件下逆變器總功率損耗約為 20 W 的情況，無芯系統(tǒng)可分別在電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 和 6 kRPM 時產(chǎn)生 2.3 倍至 2.6 倍的逆變器輸出功率。

電機(jī)效率

更高的開關(guān)頻率也對兩種系統(tǒng)的電機(jī)效率產(chǎn)生了積極影響。這種改進(jìn)主要歸因于更高開關(guān)頻率下磁滯和諧波損耗的減少。

無芯系統(tǒng)尤其表現(xiàn)出顯著的電機(jī)效率提升，因為沒有磁滯損耗，諧波損耗成為主導(dǎo)因素。有趣的是，盡管無芯系統(tǒng)的電機(jī)繞組時間常數(shù)大約高出 10 倍，但產(chǎn)生的諧波相關(guān)電機(jī)損耗卻更多。

例如，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 時，無芯電機(jī)產(chǎn)生的損耗是其 2.1 倍，而等效逆變器輸出功率約為 220 W。盡管如此，趨勢表明，隨著開關(guān)頻率的增加，無芯系統(tǒng)中的電機(jī)效率會顯著提高。

系統(tǒng)效率

系統(tǒng)效率曲線突出表明，與使用GaN和 OptiMOS 的系統(tǒng)不同，隨著開關(guān)頻率的增加，逆變器效率下降更為顯著。盡管電機(jī)效率在所有速度下都有所提高，但這種提高往往無法抵消系統(tǒng)中帶有核心的逆變器效率損失。唯一的例外發(fā)生在較低功率水平和 6kRPM 的電機(jī)速度下，此時系統(tǒng)效率在更高的開關(guān)頻率下有所提高。

對于無芯系統(tǒng)，系統(tǒng)效率在所有速度下均有所提高，在更高的開關(guān)頻率下運行時，效率可提高約 10%。與電機(jī)效率類似，系統(tǒng)功率損耗在所有速度下都較高，但在 2kRPM 時除外，此時無芯系統(tǒng)可以產(chǎn)生 1.1 倍以上的逆變器輸出功率，而等效系統(tǒng)功率損耗約為 39W。

討論

這項研究的結(jié)果為高開關(guān)頻率下電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率和性能提供了一些實用見解。其中一個關(guān)鍵結(jié)論是無芯系統(tǒng)的效率顯著提高，這得益于其更高的功率因數(shù)。逆變器效率的提高，特別是在高負(fù)載條件下，表明無芯電機(jī)在最大化功率輸出至關(guān)重要的應(yīng)用中可能具有極大的優(yōu)勢。

此外，結(jié)果證實，更高的開關(guān)頻率可以有效降低電機(jī)損耗，尤其是諧波損耗，從而提高系統(tǒng)整體效率。這在無芯系統(tǒng)中尤為明顯，因為沒有磁滯損耗，因此可以更清楚地觀察到降低諧波損耗的好處。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了 WBG 半導(dǎo)體（例如無芯系統(tǒng)中使用的半導(dǎo)體）作為高頻逆變器的理想選擇的潛力。

有趣的是，電機(jī)和系統(tǒng)功率損耗之間的比較揭示了對不同速度和開關(guān)頻率下電機(jī)性能的細(xì)微理解。與傳統(tǒng)觀點相反，該研究表明，具有較低 L/R 時間常數(shù)的電機(jī)（例如無芯電機(jī)）更適合特定開關(guān)頻率下的較低電機(jī)速度。這與普遍接受的信念大相徑庭，即無芯電機(jī)由于其固有的較低電感和較高電阻，在較高速度下性能更好。相比之下，具有鐵芯和較高 L/R 比的電機(jī)在較高速度下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其中諧波損耗的減少變得更加明顯。