基于碳化硅MOSFET的电机驱动系统传导电磁干扰的分析与研究

发布时间：2023-10-30 19:11

　　随着以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)为代表的新型宽禁带功率半导体器件的成熟应用,为电机驱动系统的效率、功率密度等关键性能获得数量级提高提供了可能。基于新型半导体器件的电机驱动系统在航空航天、轨道交通以及新能源汽车等诸多领域得到了广泛关注并快速应用。相对于传统硅基MOSFET,SiC MOSFET具有更快的开关速率、更低的开关损耗和更高的开关频率。这些特性给电机驱动系统带来了诸多优势。然而,SiC MOSFET过快的开关速率会引发开关过程中出现较大的过电压、过电流以及明显的电压、电流振荡,也加剧了电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)强度;另一方面,电机内部复杂的阻抗网络为高频谐波分量提供了有效的传播路径,所产生的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)问题,增加了系统可靠性设计的难度。本文通过理论分析、建模、仿真及实验的方法,研究了SiC MOSFE...

【文章页数】：161 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究工作的背景与意义
    1.2 本论文的研究思路
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 SiC MOSFET开关波形的测量方法
        1.3.2 SiC MOSFET开关过程的建模
        1.3.3 SiC MOSFET高频开关振荡的抑制
        1.3.4 电机高频等效电路模型
        1.3.5 电机驱动系统中的EMI
    1.4 本文的主要贡献与创新
    1.5 本论文的结构安排
第二章 基于电流互感器的SiC MOSFET漏极电流测量方法
    2.1 电流互感器的测量原理
    2.2 电流互感器的等效电路模型
        2.2.1 电流互感器的低频等效电路模型
        2.2.2 电流互感器的高频等效电路模型
    2.3 电流互感器的设计与实现
        2.3.1 励磁电感及铁芯损耗电阻参数的确定
        2.3.2 漏磁电感、绕组等效电阻、寄生电容参数的确定
        2.3.3 电流互感器的测量带宽的确定
        2.3.4 铁芯饱和电流的确定
    2.4 实验验证
        2.4.1 实验结果分析
        2.4.2 电流互感器安装位置对测量结果的影响
    2.5 本章小结
第三章 基于有限状态机的SiC MOSFET开关过程建模
    3.1 SiC MOSFET开关过程的分析
        3.1.1 开通过程分析
        3.1.2 关断过程分析
    3.2 SiC MOSFET开关过程各阶段的分析
        3.2.1 开通过程分析
        3.2.2 关断过程分析
        3.2.3 SiC MOSFET非线性跨导参数的建模
        3.2.4 SiC MOSFET及SiC SBD非线性结电容参数的建模
    3.3 SiC MOSFET开关过程各子状态关系的描述
        3.3.1 开通过程各子状态的描述
        3.3.2 关断过程各子状态的描述
    3.4 仿真及实验平台的搭建
        3.4.1 仿真平台的搭建
        3.4.2 实验平台的搭建
    3.5 仿真及实验结果分析
        3.5.1 开关响应速度
        3.5.2 开关损耗
        3.5.3 高频EMI
    3.6 本模型与其他模型的比较
    3.7 本章小结
第四章 RC吸收回路对SiC MOSFET开关振荡的影响分析
    4.1 SiC MOSFET开关振荡的机理及其影响
        4.1.1 SiC MOSFET开关振荡的机理分析
        4.1.2 SiC MOSFET开关振荡的影响分析
    4.2 包含RC吸收回路的SiC MOSFET开关过程分析
        4.2.1 开通过程分析
        4.2.2 关断过程分析
    4.3 仿真及实验验证
        4.3.1 仿真模型及实验平台的搭建
        4.3.2 仿真与实验结果的对比
    4.4 RC吸收回路的影响分析
        4.4.1 RC吸收回路对开关振荡的影响
            4.4.1.1 开通振荡分析
            4.4.1.2 关断振荡分析
        4.4.2 RC吸收回路对开关损耗的影响
        4.4.3 RC吸收回路对高频EMI的影响
    4.5 本章小结
第五章 永磁同步电机高频等效电路模型的建立
    5.1 电机阻抗特性及其绕组结构的分析
        5.1.1 电机阻抗特性的分析
        5.1.2 电机绕组结构的分析
    5.2 电机高频等效电路模型的建立
    5.3 模型电气参数的求解
        5.3.1 共模阻抗特性参数的求解
            5.3.1.1 低频段与中低频段的共模阻抗特性
            5.3.1.2 中高频段的共模阻抗特性
            5.3.1.3 高频段的共模阻抗特性
        5.3.2 差模阻抗特性参数的求解
            5.3.2.1 低频段的差模阻抗特性
            5.3.2.2 中频段的差模阻抗特性
            5.3.2.3 高频段的差模阻抗特性
    5.4 模型仿真与实验结果的比较
    5.5 模型电气参数对电机阻抗特性的影响分析
        5.5.1 模型参数对电机共模阻抗特性的影响
        5.5.2 模型参数对电机差模阻抗特性的影响
    5.6 本章小结
第六章 电机驱动系统电磁干扰的仿真与实验研究
    6.1 电机驱动系统的特性分析
    6.2 电机驱动系统仿真模型的建立
        6.2.1 SiC MOSFET开过程行为模型
        6.2.2 电机及线缆的阻抗特性模型
        6.2.3 电机的机电特性模型
        6.2.4 SVM驱动算法模型
    6.3 电机驱动系统的仿真与实验验证
        6.3.1 仿真及实验环境
        6.3.2 仿真及实验结果分析
            6.3.2.1 SiC MOSFET的开关电压
            6.3.2.2 电机相电压
            6.3.2.3 电机共模电压
            6.3.2.4 电机相电流及共模电流
    6.4 电机阻抗特性对电机驱动系统EMI的影响
        6.4.1 开关电压与电机相电压的关系
        6.4.2 开关电压与电机共模电压的关系
        6.4.3 电机相电压与共模电压的关系
        6.4.4 电机相电流与共模电流的关系
        6.4.5 电机及线缆阻抗特性与高频EMI的关系
    6.5 SiC MOSFET开关特性对电机驱动系统EMI的影响
        6.5.1 SiC MOSFET开关速度对系统EMI的影响
        6.5.2 SiC MOSFET开关频率对系统EMI的影响
        6.5.3 SiC MOSFET开关振荡对系统EMI的影响
    6.6 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻博期间取得的研究成果



本文编号：3859022