【導(dǎo)讀】如今，800V 電池被用來(lái)提高交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率并縮短電池充電時(shí)間。電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)中的 2L 逆變器有一些缺點(diǎn)：即輸出電壓的總諧波失真 (THD) 高、開(kāi)關(guān)損耗增加、EMI 噪聲高以及電機(jī)軸上的感應(yīng)電壓（主要用于電力）時(shí)出現(xiàn)的軸承電流問(wèn)題。額定值高于 75 kW）克服了軸承潤(rùn)滑油膜的絕緣能力。這會(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)軸承，從而產(chǎn)生凹槽——滾道上特有的凹槽和磨砂坑，從而損害軸承的負(fù)載能力。
機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
3L 逆變器可以在高功率水平下運(yùn)行，具有較低的諧波失真和開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力，使其成為電動(dòng)汽車應(yīng)用的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
如今，800V 電池被用來(lái)提高交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率并縮短電池充電時(shí)間。電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)中的 2L 逆變器有一些缺點(diǎn)：即輸出電壓的總諧波失真 (THD) 高、開(kāi)關(guān)損耗增加、EMI 噪聲高以及電機(jī)軸上的感應(yīng)電壓（主要用于電力）時(shí)出現(xiàn)的軸承電流問(wèn)題。額定值高于 75 kW）克服了軸承潤(rùn)滑油膜的絕緣能力。這會(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)軸承，從而產(chǎn)生凹槽——滾道上特有的凹槽和磨砂坑，從而損害軸承的負(fù)載能力。
這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)來(lái)解決。與 2L 逆變器相比， ML逆變器提供額外的輸出電壓水平和低相電流紋波，具有更好的效率、功率密度、熱性能和 EMI 行為。這種改進(jìn)取決于較低的 THD 和共模電壓 (CMV) 水平。此外，基于WBG的ML拓?fù)洌貏e是3L-T逆變器和3L-NPC逆變器，在更高的效率和EMI性能方面脫穎而出。
2L和3L逆變器型號(hào)
出于比較目的，考慮了三種拓?fù)洌?L 逆變器以及 3L-T 和 3L-NPC 逆變器，如圖 1 所示。
圖 1（右）中的 3L-NPC 逆變器由三個(gè)支路組成，每個(gè)支路包含四個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)（IGBT 或 SiC MOSFET）。每個(gè)開(kāi)關(guān)上施加的電壓是傳統(tǒng) 2L 逆變器電壓的一半。通過(guò)串聯(lián)相等的總線電容器將總線電壓分成兩半，并且每個(gè)支路通過(guò)插入兩個(gè)鉗位二極管來(lái)完成，這提供了到中性點(diǎn)的連接。 2L 逆變器只能將輸出連接到正母線或負(fù)母線，而 NPC 逆變器可以在輸出上產(chǎn)生三種電壓電平：直流母線正電壓、直流母線負(fù)電壓和零電壓，以生成更正弦的輸出波形，以實(shí)現(xiàn)減少諧波失真。考慮單腿操作，當(dāng)S 1和S 11導(dǎo)通時(shí)，輸出連接至V DC；當(dāng)S 11和S 44導(dǎo)通時(shí)，輸出連接至中點(diǎn)電壓V 0 ；當(dāng)S 44和S 4導(dǎo)通時(shí)，輸出連接至V n。由于S 11和S 44在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，因此它們比S 1和S 4承受的損耗更高，但開(kāi)關(guān)損耗更少。
與 NPC 拓?fù)洳煌琓 型逆變器沒(méi)有鉗位二極管，從而減少了元件數(shù)量。由于采用單個(gè)外部開(kāi)關(guān)器件（而不是兩個(gè)串聯(lián)器件），它還表現(xiàn)出較低的傳導(dǎo)損耗，但同時(shí)，與 NPC 逆變器相比，這會(huì)導(dǎo)致阻斷電壓降低。因此，與 3L-NPC 相比，3L-T 逆變器在較低頻率下表現(xiàn)更出色。 3L-T雙向輔助開(kāi)關(guān)在中性點(diǎn)和負(fù)載端之間提供可控路徑；通過(guò)選擇性地打開(kāi)不同的開(kāi)關(guān)可以獲得3L輸出。
電動(dòng)汽車牽引模型
可以使用直流電源、三種逆變器拓?fù)浜碗妱?dòng)汽車上常用的永磁同步電機(jī) (PMSM) 來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。，PSIM 等特定工具生成所需的輸出。 Altair 的 PSIM 是一款功能強(qiáng)大的軟件，廣泛用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真和設(shè)計(jì)。
可使用數(shù)據(jù)表使用基本方程來(lái)計(jì)算導(dǎo)通電阻和損耗：
R on ( T ) = R 0 [1 + K ( T – T init )]; P sw = ( E sw,on + E sw,off ) f ; P條件= I D 2 R上( T )
其中K是 SiC MOSFET 在T時(shí)的導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)，T init是初始溫度，f是開(kāi)關(guān)頻率，ID是漏極電流。總功率損耗包括因開(kāi)通和關(guān)斷而產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗以及傳導(dǎo)損耗。
由于逆變器架構(gòu)之間存在差異，并且在 800V 總線的情況下，2L 拓?fù)湫枰?1,200V SiC MOSFET； 3L-T 電路的主開(kāi)關(guān)需要相同的額定電壓，輔助開(kāi)關(guān)需要 650 V 的額定電壓。相比之下，3L-NPC 逆變器采用 650V SiC MOSFET 和 650V SiC 二極管構(gòu)建。
電磁JMAGRT模型是一種基于有限元分析的仿真工具，可用于評(píng)估PMSM的銅損和鐵損。作者選擇的電機(jī)功率為 150 kW，額定扭矩為 180 Nm。
效率比較
2L 逆變器中的硅IGBT 和 SiC MOSFET之間的比較表明，基于 SiC 的解決方案具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗降低了 80%，結(jié)溫降低了 35%，從而使冷卻系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，并改善了整個(gè)系統(tǒng)的重量、尺寸和成本。低扭矩、低速區(qū)域的效率提高了近30%，而在額定速度、額定扭矩區(qū)域，效率提高了2.8%。更有趣的是正在研究的三個(gè)逆變器中涉及 SiC MOSFET 的基準(zhǔn)。
在評(píng)估效率時(shí)，我們可以考慮三種類型的扭矩曲線：逆變器效率、電機(jī)效率和整體驅(qū)動(dòng)效率。相關(guān)的效率優(yōu)勢(shì)出現(xiàn)在低速區(qū)域，從 1,000 rpm 到 3,000 rpm。三個(gè)逆變器的效率在此范圍內(nèi)表現(xiàn)出的變化，特別是逆變器效率曲線。在20 Nm至150 Nm的扭矩范圍內(nèi)，3L-T在1,000 rpm時(shí)表現(xiàn)出更高的效率，比2L高出2.62%。由于高傳導(dǎo)損耗，3L-NPC 在三種拓?fù)渲斜憩F(xiàn)出較低的效率，但當(dāng)扭矩超過(guò) 150 Nm 時(shí)，它開(kāi)始顯著改善，終在略低于 200 Nm 時(shí)超過(guò) 3L-T。
無(wú)論如何，3L-T 和 3L-NPC 的開(kāi)關(guān)損耗都低于 2L，證明了 ML 在電動(dòng)汽車應(yīng)用中的切實(shí)好處。此外，三種配置在高速（例如從 7,000 rpm 到 12,000 rpm）時(shí)的整體驅(qū)??動(dòng)效率保持相同。這可以通過(guò)以下事實(shí)來(lái)解釋：在高扭矩和高速度下，電機(jī)效率起著主導(dǎo)作用。順便說(shuō)一句，ML 逆變器能夠產(chǎn)生諧波含量較低的輸出電壓，從而在電機(jī)中產(chǎn)生更多的正弦形磁通量，從而轉(zhuǎn)化為更高的效率和更平滑的扭矩。逐漸施加旋轉(zhuǎn)力反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生更少的振動(dòng)和噪音，從而提高整體性能和舒適度。
3L-NPC 在 150 Nm 的扭矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率改進(jìn)，表明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合在高功率轉(zhuǎn)換器中運(yùn)行。
2L 與 ML CMEMI 行為
CMEMI 也稱為共模噪聲，當(dāng)相對(duì)于公共參考地的兩個(gè)導(dǎo)體上有不需要的電流流動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn) CMEMI（圖 2）。這些電流具有相同的幅度和相位，但沿互連傳輸?shù)男盘?hào)可能不相同。 CMEMI 可能由多種來(lái)源產(chǎn)生，但基本機(jī)制是明確的：它通常是由通過(guò)雜散電容泄漏的噪聲電流引起的。
共模電磁干擾。
圖 2：CMEMI（來(lái)源：村田制作所2）
與 2L 逆變器相比，ML 逆變器有助于降低 CMEMI 噪聲，因?yàn)?CMV（電源地線與三相負(fù)載中性點(diǎn)之間的電壓）水平大幅降低，從而延長(zhǎng)了軸承和電機(jī)繞組的使用壽命。在評(píng)估 CMEMI 性能時(shí)，可以構(gòu)建之前看到的相同模型，其中逆變器和接地之間的寄生電容設(shè)置為 600 pF，電機(jī)和外殼之間的寄生電容設(shè)置為 2 ?F。可以通過(guò)施加兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行比較：20 kHz 和 50 kHz。
結(jié)果證實(shí)，高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加 2L 和 3L-T 逆變器的 CMEMI 噪聲幅度，遵循相同的趨勢(shì)。另外值得注意的是，在相同頻譜下，2L 逆變器中的 50 kHz 開(kāi)關(guān)頻率意味著比以 20 kHz 運(yùn)行的 3L-T 逆變器噪聲幅度高出 30 dBμV。實(shí)驗(yàn)還證明，基于SiC的3L-T逆變器在50kHz時(shí)的CMEMl噪聲比20kHz時(shí)的2L低15至50dBμV。
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