三種不同的兩相電壓源逆變器方案

48 V 兩相電機驅動器是低成本微型移動或微型混合動力推進系統的合適選擇。1這是因為整體框架高效且具有成本效益。由于直流鏈路電壓較低，因此建議框架的工作電流相對較高。由于它是一個電流密集型系統，因此需要使用大容量電容器來降低直流母線電壓紋波。為了確?？煽康目蚣?，必須研究功率轉換器的調制方案、直流母線電容和熱響應。

本文將討論三種不同的兩相電壓源逆變器方案。此外，它將比較和分析所討論拓撲的調制方案、調制比、電流應力和直流母線電壓紋波。

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圖 1 顯示了本文將討論的目標方案。

方案分類如下：

三足配置

帶有分離式直流母線電容器的兩腿配置

無中性線的四腳配置

由于中性點電流比相電流高 1.414 倍，因此需要在兩腿配置中使用大型直流母線電容器來穩定中性點電壓。另一方面，與兩腳配置相比，四腳配置具有更高的調制比，但每增加一個腳都會增加系統成本和復雜性。在四腳拓撲中使用的兩相機加工必須具有開放式繞組。三腿配置類似于傳統的三相電壓源轉換器，但第三腿的電流比兩相配置中的其他兩條腿的電流高 1.414 倍。

為了優化整體效率、總成本和功率密度，硅開關和寬帶隙器件之間存在競爭。盡管 GaN HEMT 等寬帶隙器件在許多電力電子應用中得到廣泛采用，但高成本、高 dV/dt 和可靠性問題限制了它們在 48V 電機驅動系統中的實施。2-5 個硅 MOSFET 模塊具有低成本、低雜散電感和良好的散熱能力等優點，對于低成本的 48-V 電機驅動系統具有吸引力。6–8比較這兩者，基于硅 MOSFET 模塊的電源轉換器提供更多功能。本文將討論設計兩相電源轉換器的硅 MOSFET 模塊。

兩相電源轉換器的操作

本文介紹的兩相電壓源的不同拓撲如圖 1 所示。所有這些拓撲都具有不同的調制方案、電流應力和直流母線電容器要求。重要的是要考慮這些拓撲的優點和缺點。

空間矢量脈沖調制通常包含在電機驅動系統中。所討論拓撲的調制圖如圖 2 所示。當參考電壓與多邊形相切時，相電壓幅度最大。

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在兩相系統中，中性線電流是相電流的 1.414 倍。這是因為與其他兩種拓撲相比，三腳拓撲中的電流應力較高，因為第三腳用作中性線電流的返回路徑。在兩腿和四腿配置中，峰值相電流是開關的最大電流。然而，由于第三條腿，三腿配置中的電流應力比峰值相電流高 1.414 倍。

為了分析直流母線電容器上的電壓紋波，假定直流電壓源和直流母線電容器之間存在一個雜散電容器，如圖 1 所示。在大多數應用中，直流母線電容器之間存在合理的雜散電感。電壓源和直流環節電容器。由于這種雜散電感，直流電壓源的輸入電流是恒定的。直流鏈路的輸出電流包含高頻脈動分量，這是由 SVPWM 方案的開關模式決定的。直流母線電容的目的是吸收高頻電流紋波，直流母線電容要足夠大以穩定直流母線電壓。9(對于傳統的三相轉換器，電壓紋波和直流母線電容之間的關系已在參考文獻 9 中進行了充分研究。)對于固定電壓，直流母線電壓與相電流成正比，與開關頻率成反比。直流母線電容?？傮w而言，在大相電流下需要高值直流母線電容器以最小化電壓紋波。

設計過程

本節討論 6.8 kW 三腿電源轉換器的系統設計。

柵極驅動器設計

自舉電路由于其簡單性和低成本，已被用于基于硅 MOSFET 的功率轉換器的柵極驅動器中。圖 5 顯示了自舉柵極驅動器電路。在該電路中，電容器上的電壓受功率半導體上的壓降影響，進而使導通電壓不穩定。此外，該電路無法提供安全關閉功率半導體所需的安全功能。上述問題使基于自舉電路的柵極驅動器的可靠性受到質疑?？煽康臇艠O驅動器在電流密集型系統中至關重要。為此，使用未經調節的推挽式轉換器產生 5V 浮動電壓。為了開啟硅 MOSFET，采用升壓轉換器將浮動電壓提升至 15 V。

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功率級設計

直流母線電容器和功率半導體包含在兩相三腿轉換器的功率級中。功率轉換器設計選擇了硅 MOSFET 模塊 FM 400TU-07A。10選擇的開關頻率為 25 kHz，這樣損耗不會太高。直流鏈路電容應足夠高以抑制直流鏈路上的電壓紋波。

控制級設計

轉換器的控制部分包括微控制器、傳感器和信號調理電路。具有成本效益的微控制器 TMS320F280049C 用于 48V 兩相轉換器的設計，因為它具有成本效益并且在 100 MHz 的 CPU 頻率下運行?；魻栯娏鱾鞲衅饔糜跍y量相電流。但是在大電流測量的情況下，霍爾效應電流傳感器的磁芯占用了太多空間，因此導致尺寸增加。為了最小化尺寸，采用帶有隔離放大器的分流電阻器來測量相電流，如圖 4 所示。

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結論

本文詳細討論了 48V 兩相電源轉換器的設計。在三種不同的拓撲結構中比較了由直流鏈路引起的電壓紋波。在分析了三種不同的拓撲結構后，選擇了三腳配置來詳細說明設計過程。設計過程詳細描述了柵極驅動器、電源和控制階段的設計。在對提議的設計進行實驗后，波形和熱曲線驗證了提議的系統的設計和可靠性。

審核編輯：湯梓紅