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水下大功率高速电机SiC MOSFET逆变器设计及对比

翟理 汪洋 胡利民 刘国海 刘亚兵 马恩林

翟理, 汪洋, 胡利民, 等. 水下大功率高速电机SiC MOSFET逆变器设计及对比[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 966-975 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016
引用本文: 翟理, 汪洋, 胡利民, 等. 水下大功率高速电机SiC MOSFET逆变器设计及对比[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 966-975 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016
ZHAI Li, WANG Yang, HU Limin, LIU Guohai, LIU Yabing, MA Enlin. Design and Comparison of SiC MOSFET inverter for Underwater High-Power and High-Speed Motor[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 966-975. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016
Citation: ZHAI Li, WANG Yang, HU Limin, LIU Guohai, LIU Yabing, MA Enlin. Design and Comparison of SiC MOSFET inverter for Underwater High-Power and High-Speed Motor[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 966-975. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016

水下大功率高速电机SiC MOSFET逆变器设计及对比

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016
详细信息
    作者简介:

    翟理:翟 理(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为特种电机控制

  • 中图分类号: TJ630.32; U674.91

Design and Comparison of SiC MOSFET inverter for Underwater High-Power and High-Speed Motor

  • 摘要: 随着“深远海”及高机动性、隐蔽性应用目标的提出, 未来水下航行器动力系统需具备更高的转速、功率密度和效率。文中针对传统Si基功率器件在水下高速大功率电机应用中, 由于开关性能限制, 存在电机换相周期内斩波次数不够, 给电机带来较大的转矩脉动和损耗的问题, 首先对功率器件损耗进行分析, 在PSpice中建立仿真模型, 对比了不同开关频率及温度下SiC金氧半场效晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)损耗, 并在Simulink中对比了不同开关频率下电机转矩脉动。利用SiC功率器件开关频率高、开关损耗低等优点, 将SiC MOSFET应用于水下航行器大功率高速电机逆变器模块, 对软硬件进行设计, 并与IGBT逆变器进行效率对比, 同时分析了SiC MOSFET在高频下对电机转矩脉动的影响, 为SiC MOSFET在水下航行器中应用提供有益借鉴。

     

  • 图  1  功率器件开通过程

    Figure  1.  Turn-on process of power device

    图  2  功率器件关断过程

    Figure  2.  Turn-off process of power device

    图  3  开关频率12.5 kHz相电流仿真

    Figure  3.  Phase current simulation of 12.5 kHz switching frequency

    图  4  开关频率30 kHz相电流仿真

    Figure  4.  Phase current simulation of 30 kHz switching frequency

    图  5  不同开关频率下开关损耗随时间变化仿真

    Figure  5.  Simulation of switching loss changing with time at different switching frequencies

    图  6  不同温度下开关损耗随时间变化仿真

    Figure  6.  Simulation of switching loss changing with time at different temperatures

    图  7  控制系统结构

    Figure  7.  Structure of control system

    图  8  电压采集电路

    Figure  8.  Voltage sample circuit

    图  9  电流检测及保护电路

    Figure  9.  Current detection and protection circuit

    图  10  PWM传输电路

    Figure  10.  PWM transmission circuit

    图  11  霍尔信号处理电路

    Figure  11.  Hall signal processing circuit

    图  12  电源转换电路

    Figure  12.  Power source transfer circuit

    图  13  故障传输电路

    Figure  13.  Fault transmission circuit

    图  14  CAN通信接口电路

    Figure  14.  CAN communication interface circuit

    图  15  系统主程序流程图

    Figure  15.  Flow chart of system main program

    图  16  中断服务程序流程图

    Figure  16.  Flow chart of interrupt service program

    图  17  PWM波形

    Figure  17.  Waveform of PWM

    图  18  T1T2导通电机拓扑

    Figure  18.  Motor topology when T1, T2 conducting

    图  19  试验原理框图

    Figure  19.  Block diagram of test principle

    图  20  逆变器平台

    Figure  20.  Inverter platform

    图  21  测试仪器及电源

    Figure  21.  Test instruments and power supply

    图  22  母线电流波形

    Figure  22.  Bus current waveform

    图  23  母线电压波形

    Figure  23.  Bus voltage waveform

    图  24  电机效率曲线

    Figure  24.  Motor efficiency curve

    图  25  电机输入与输出功率曲线

    Figure  25.  Motor input and output power curves

    图  26  SiC MOSFET逆变器电机效率曲线

    Figure  26.  SiC MOSFET inverter motor efficiency curves

    图  27  IGBT逆变器电机效率曲线

    Figure  27.  IGBT inverter motor efficiency curves

    图  28  开关频率12.5 kHz时相电流波形

    Figure  28.  Phase current waveform at a switching frequency of 12.5 kHz

    图  29  开关频率30 kHz时相电流波形

    Figure  29.  Phase current waveform at a switching frequency of 30 kHz

    表  1  驱动板参数

    Table  1.   Drive plate parameters

    驱动板型号单路输出
    功率/W
    最大驱动
    频率/kHz
    峰值驱动
    电流/A
    2FSD0420-EDC460−15/20
    ED0438E52027
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    表  2  HVTR2812S/HB电源模块参数

    Table  2.   Power module parameters of HVTR2812S/HB

    输入电压/V输出电压/V输出功率/W纹波
    /mV
    效率/%工作频率/kHz输出电压
    精度/%
    15~50124050874001
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    表  3  SiC MOSFET逆变器电机功率及效率数据

    Table  3.   SiC MOSFET inverter motor power and efficiency data

    输入电压
    /V
    输入电流
    /A
    输入功率
    /kW
    输出功率
    /kW
    效率
    /%
    373.7228.981.878.396
    374.5231.581.978.796
    374.7232.083.278.895
    375.3232.083.379.295
    375.4232.583.579.495
    375.4236.383.58096
    375.4236.385.080.695
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    表  4  IGBT逆变器电机功率及效率数据

    Table  4.   IGBT inverter motor power and efficiency data

    输入电压
    /V
    输入电流
    /A
    输入功率
    /kW
    输出功率
    /kW
    效率
    /%
    370.4223.373.467.892
    372.7232.983.175.691
    372.9231.382.575.992
    372.5227.680.874.692
    372.9227.681.174.792
    374.2238.985.775.491
    374.2238.785.677.490
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-22
  • 修回日期:  2023-04-10
  • 录用日期:  2023-05-08

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