三种不同的两相电压源逆变器方案

48 V 两相电机驱动器是低成本微型移动或微型混合动力推进系统的合适选择。1这是因为整体框架高效且具有成本效益。由于直流链路电压较低，因此建议框架的工作电流相对较高。由于它是一个电流密集型系统，因此需要使用大容量电容器来降低直流母线电压纹波。为了确保可靠的框架，必须研究功率转换器的调制方案、直流母线电容和热响应。

本文将讨论三种不同的两相电压源逆变器方案。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 显示了本文将讨论的目标方案。

方案分类如下：

三足配置

带有分离式直流母线电容器的两腿配置

无中性线的四脚配置

由于中性点电流比相电流高 1.414 倍，因此需要在两腿配置中使用大型直流母线电容器来稳定中性点电压。另一方面，与两脚配置相比，四脚配置具有更高的调制比，但每增加一个脚都会增加系统成本和复杂性。在四脚拓扑中使用的两相机加工必须具有开放式绕组。三腿配置类似于传统的三相电压源转换器，但第三腿的电流比两相配置中的其他两条腿的电流高 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 GaN HEMT 等宽带隙器件在许多电力电子应用中得到广泛采用，但高成本、高 dV/dt 和可靠性问题限制了它们在 48V 电机驱动系统中的实施。2-5 个硅 MOSFET 模块具有低成本、低杂散电感和良好的散热能力等优点，对于低成本的 48-V 电机驱动系统具有吸引力。6–8比较这两者，基于硅 MOSFET 模块的电源转换器提供更多功能。本文将讨论设计两相电源转换器的硅 MOSFET 模块。

两相电源转换器的操作

本文介绍的两相电压源的不同拓扑如图 1 所示。所有这些拓扑都具有不同的调制方案、电流应力和直流母线电容器要求。重要的是要考虑这些拓扑的优点和缺点。

空间矢量脉冲调制通常包含在电机驱动系统中。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，相电压幅度最大。

在两相系统中，中性线电流是相电流的 1.414 倍。这是因为与其他两种拓扑相比，三脚拓扑中的电流应力较高，因为第三脚用作中性线电流的返回路径。在两腿和四腿配置中，峰值相电流是开关的最大电流。然而，由于第三条腿，三腿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，直流母线电容器之间存在合理的杂散电感。电压源和直流环节电容器。由于这种杂散电感，直流电压源的输入电流是恒定的。直流链路的输出电流包含高频脉动分量，这是由 SVPWM 方案的开关模式决定的。直流母线电容的目的是吸收高频电流纹波，直流母线电容要足够大以稳定直流母线电压。9(对于传统的三相转换器，电压纹波和直流母线电容之间的关系已在参考文献 9 中进行了充分研究。)对于固定电压，直流母线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，在大相电流下需要高值直流母线电容器以最小化电压纹波。

设计过程

本节讨论 6.8 kW 三腿电源转换器的系统设计。

栅极驱动器设计

自举电路由于其简单性和低成本，已被用于基于硅 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的压降影响，进而使导通电压不稳定。此外，该电路无法提供安全关闭功率半导体所需的安全功能。上述问题使基于自举电路的栅极驱动器的可靠性受到质疑。可靠的栅极驱动器在电流密集型系统中至关重要。为此，使用未经调节的推挽式转换器产生 5V 浮动电压。为了开启硅 MOSFET，采用升压转换器将浮动电压提升至 15 V。

功率级设计

直流母线电容器和功率半导体包含在两相三腿转换器的功率级中。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，这样损耗不会太高。直流链路电容应足够高以抑制直流链路上的电压纹波。

控制级设计

转换器的控制部分包括微控制器、传感器和信号调理电路。具有成本效益的微控制器 TMS320F280049C 用于 48V 两相转换器的设计，因为它具有成本效益并且在 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，因此导致尺寸增加。为了最小化尺寸，采用带有隔离放大器的分流电阻器来测量相电流，如图 4 所示。

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链路引起的电压纹波。在分析了三种不同的拓扑结构后，选择了三脚配置来详细说明设计过程。设计过程详细描述了栅极驱动器、电源和控制阶段的设计。在对提议的设计进行实验后，波形和热曲线验证了提议的系统的设计和可靠性。

审核编辑：汤梓红