【摘 要】
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以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件为代表的第三代功率半导体,凭借其开关速度快、耐压水平高等特点为提高永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)驱动系统的效率和功率密度带来了新的机遇。然
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以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件为代表的第三代功率半导体,凭借其开关速度快、耐压水平高等特点为提高永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)驱动系统的效率和功率密度带来了新的机遇。然而为了发挥SiC高开关频率的优势,会导致驱动电机端电压出现过电压及高频振荡,产生共模电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。目前,共模电磁干扰的研究通常忽略SiC器件的开关特性和电机高频阻抗特性,难以准确分析系统EMI干扰水平。因此,论文针对SiC MOSFET永磁同步电驱动系统,开展SiC MOSFET器件开关过程详细建模、SiC电驱系统共模EMI建模及频谱特性解析、共模EMI抑制策略的研究,主要研究内容包括:(1)针对SiC MOSFET开关过程建模中,忽略高频欠阻尼振荡过程和非线性寄生参数,存在开关暂态电压/电流误差较大的问题,提出计及非线性寄生参数的SiC MOSFET开关暂态模型。首先,提取非线性参数变化曲线,对非线性结电容和沟道电流进行数学建模。通过离散系统状态变量分析方法,实现非线性沟道电流的初始化输入和结电容参数矩阵的更新。其次,基于双脉冲等效电路,根据开关过程不同阶段的等效电路列写状态方程,建立开关过程暂态分析模型。最后,分析不同状态间的转换条件,将状态方程的迭代输出结果以受控电压源/电流源的形式转换为相应的电路输出,通过双脉冲实验对分析模型开关特性进行验证。(2)针对SiC电驱动系统忽略SiC MOSFET开关特性和电机高频阻抗特性,导致共模EMI干扰源及耦合路径建模不准确的问题,提出计及SiC MOSFET开关特性和电机高频阻抗特性的共模EMI仿真模型,研究电机不同运行工况下共模EMI频谱特性及影响因素。首先,通过有限元涡流场和静电场仿真,获取电机高频参数。基于第二章建立的SiC分析模型,建立包含SiC逆变器、电机高频等效模型和驱动控制算法的仿真模型。其次,对比考虑电机高频阻抗特性和SiC开关特性时,电驱系统共模电压及频谱仿真波形。基于共模电压频谱包络解析函数,验证仿真频谱准确性。最后,开展电机不同运行条件下共模EMI的仿真研究,揭示不同开关频率、死区时间、直流母线利用率对共模电压频谱的影响规律。(3)针对抑制共模干扰的控制策略受限于被选电压矢量较少,难以兼顾电流畸变和高频共模电压抑制效果的问题,在双矢量模型预测控制的基础上,提出抑制共模电压的多矢量调制型模型预测控制方法。首先,分析传统共模电压抑制方法产生电流畸变的原因,研究不同电压矢量对电流的控制效果。其次,研究电压矢量间的切换方式对SiC MOSFET开关特性的影响,提出多矢量合成参考电压的具体方法。基于调制型模型预测的原理,推导出多矢量的作用时间,提出对应的死区补偿措施。最后,搭建SiC电驱系统实验平台,通过与传统“双矢量”方法进行仿真和实验对比,验证所提方法能够有效抑制共模电压,降低电机电流的总谐波畸变率。论文研究成果为基于SiC MOSFET的永磁同步电驱系统共模EMI建模和干扰特性研究奠定理论基础,为抑制共模EMI提供技术支撑,对SiC电驱系统安全可靠运行具有重要意义。
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