基于SiC MOSFET的高速永磁同步电机驱动系统

周 力，周 龙，王 欣，谢成龙，安群涛

(1.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵阳 550009; 2.哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001)

0 引 言

永磁同步电机(PMSM)具有效率高、控制性能好、功率密度大等优点已广泛应用于工业、航空航天等领域。随着功率半导体技术的发展，以碳化硅(SiC)为材料的第三代宽禁带(WBG)半导体功率器件已在汽车电驱动、充电电源、感应加热电源等系统中逐步得到应用[1-4]。SiC MOSFET具有阻断电压高、通态电阻低、开关速度快、耐高温等优异性能，可以降低散热器体积，提升系统功率密度，也可以通过提高开关频率来提升系统性能[5]。目前，Cree、Rohm、英飞凌、三菱等半导体厂商相继推出了电流达数百安培的SiC MOSFET模块，能够满足数十千瓦电机驱动系统的需求。近年来，对于SiC MOSFET应用中的栅极驱动[6-7]、干扰抑制[8-9]、系统性能提升策略[10-11]等方面的研究得到了学者的关注。

高速永磁同步电机可以进一步提升功率密度，但由于绕组电感量小、基波频率高，存在电流谐波大的问题，通过采用宽禁带器件提高开关频率是减小电流谐波的有效方案[12]。为提升高速电机的电流环响应，文献[13-14]针对控制系统时延提出相位补偿的方案，其效果取决于补偿相位的准确性。文献[15-16]通过减小电流采样延时来扩展电流环控制带宽，增加了高速PMSM系统的稳定性。

本文针对高速永磁同步电机驱动系统应用需求，采用SiC MOSEFT模块作为功率开关器件，设计了其栅极驱动电路，通过提高开关频率、优化电流采样时刻和计算时序来减小电流环中的延时，提升电流动态响应，实验结果验证了方案的有效性。

1 PMSM的控制策略

1.1 PMSM的矢量控制

表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的电压方程和转矩方程分别为

(1)

(2)

式中，ud、uq分别为电机的d轴和q轴电压；id、iq分别为d轴和q轴电流；Rs、Ls分别为绕组电阻和电感；p=d/dt为微分算子；ωe为转子的电角速度；ψf为转子永磁磁链；np为电机的极对数。

采用转子磁场定向id=0控制，表贴式永磁同步电机可以实现电机的最大转矩电流比运行，矢量控制系统框图如图1所示。

图1 PMSM矢量控制系统框图

1.2 电流环模型与参数设计

以q轴电流环为例，建立其传递函数模型如图2所示。图中，Kp和Ki分别为电流PI调节器的比例和积分系数；Tc为电流采样到更新PWM之间的计算延时；逆变器传递函数可等效为时间常数为TPWM、增益为1的一阶惯性环节，这里TPWM为PWM周期。

图2 电流环传递函数框图

(3)

式中,TPI为调节器时间常数，且有TPI=Kp/Ki。

可知电流环的开环传递函数为

(4)

(5)

其中，T∑i=TPWM+Tc。可得到简化后的电流环开环传递函数为

(6)

(7)

按照典型二阶系统进行分析，可得到系统阻尼比ξ、开环截止频率ωc以及闭环带宽ωb，其中闭环带宽取闭环增益减少到-3 dB处的角频率和相频特性在-45°处的角频率较低者。可以得到：

(8)

(9)

(10)

可见，电流环延时时间常数TΣi直接影响电流环带宽，进而影响系统的动态响应能力，减小TΣi就可以拓展电流环带宽，提高电机电流的响应。

2 电流环的改进

根据上面的分析，提高开关频率和减小计算延迟均提高电流环带宽，本文在采用SiC MOSFET器件来提高开关频率的基础上，对电流采样时刻进行优化设计，减小计算延迟。

为了避免电流谐波对采样电流造成影响，一般在PWM开始或中点时刻进行电流采样。采用DSP的系统中通常在PWM周期开始时刻进行电流采样，这样留给处理器的计算时间为一个PWM周期，更新后的占空比在下一个PWM周期输出，这样从电流采样到计算产生PWM输出延时了一个PWM周期。本系统采用FPGA计算电流环，计算时间可以大大缩短，因而选择在PWM周期中点进行采样，从而可以拓宽电流环带宽，电流采样与计算时序如图3所示。

图3 电流采样时刻与计算时序

3 PMSM驱动系统设计

3.1 系统的硬件结构

永磁同步电机驱动系统的硬件结构如图4所示。逆变器选用Rohm公司的1200 V、180A SiC MOSFET半桥模块BSM180D12P2E002构建；主控芯片采用DSP(TMS320F28335)和FPGA(EP4CE22E22I7N)。其中，FPGA用于实现电流环调节，DSP用于转速闭环控制及其他辅助功能。系统采用旋转变压器作为角度和速度测量元件，由AD2S1210解调后将角度和速度值送入FPGA中。

图4 驱动系统硬件结构图

3.2 SiC MOSFET驱动电路设计

SiC MOSFET的驱动电路采用英飞凌隔离型栅极驱动芯片1ED020I12-F2，电路结构如图5，实物图如图6所示。1ED020I12-F2是单通道隔离IGBT/MOSFET驱动器，可用于600 V/1200 V等级功率管，最大驱动电流位±2 A，具有去饱和过流检测和米勒钳位功能。每个SiC MOSFET器件需要一片1ED020I12-F2芯片，芯片的前端与控制电路相连，后端由+15 V转+18 V和-4 V的隔离DC/DC电源供电。过流保护功能通过饱和压降检测的方式实现，器件导通期间芯片内部0.5 mA恒流源通过DESAT引脚给外部消隐电容充电，若功率器件电流过大导致导通压降升高，使得电容上的电压超过9 V阈值，立即产生过流保护信号并使输出拉低。不像IGBT能够允许10 μs的短路时间，SiC MOSFET的短路时间一般不超过3 μs，短路保护时间通过选择消隐电容值来设定。CLAMP为米勒钳位功能引脚，当关断期间检测到栅极信号高于2 V时，该引脚自动拉至负电源，以防止信号串扰造成误导通。

图5 栅极驱动电路结构图

图6 栅极驱动板照片

4 实验结果

对SiC MOSFET驱动电路进行了双脉冲测试和过流保护功能测试，测试结果分别如图7和图8所示。在双脉冲的触发下，SiC MOSFET实现了大电流的开通与关断；当发生过流后，去饱和引脚DESAT电压在3 μs左右上升至阈值，驱动芯片将输出信号自动拉低。

图7 双脉冲测试结果

图8 过流保护功能测试结果

本系统供电电压为500 VDC，电机额定功率32 kW，额定转速13000 r/min，开关频率20 kHz。6000 r/min稳态下的三相绕组电流波形如图9所示，电流有效值为46 A。为考核电流环响应，将电机堵转并给定q轴电流为250 Hz正弦量，电流环采样与更新时刻改进前后的测试结果如图10所示，改进后电流动态响应加快。

图9 稳态电流波形

图10 电流环改进前后的q轴电流响应

5 结 论

本文针对高速永磁同步电机设计了采用SiC MOSFET功率模块的驱动系统，通过提升开关频率和优化电流采样时刻扩展了电流环控制带宽，设计了具有去饱和过流检测和米勒钳位功能的栅极驱动电路，并进行了双脉冲和过流测试。实验结果表明，采用SiC MESFET器件的电机驱动系统获得了良好的系统性能，提升了电机电流的动态响应。