• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 宋保维, 潘光, 张立川, 等. 自主水下航行器发展趋势及关键技术[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(5): 27-44.

    Song Baowei, Pan Guang, Zhang Lichuan, et al. Development trend and key technology of autonomous underwater vehicle[J]. China Ship Research, 2022, 17(5): 27-44.
    [2] 戴凯奇. 6.6 kW单级三相PFC DC-DC车载充电机设计研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2019.
    [3] 刘学超, 黄建立, 叶春显. 基于新型1200V碳化硅(SiC)MOSFET的三相双向逆变器的研究[J]. 电源学报, 2016, 14(4): 59-65, 81.

    Liu Xuechao, Huang Jianli, Ye Chunxian. Research on three-phase bidirectional inverter based on new 1200V silicon carbide(SiC) MOSFET[J]. Journal of Power Sources, 2016, 14(4): 59-65, 81.
    [4] 韩鹏程, 周涛, 何晓琼. 基于新型碳化硅MOSFET三相逆变器研究[J]. 电力电子技术, 2017, 51(9): 39-41.

    Han Pengcheng, Zhou Tao, He Xiaoqiong. Research on three-phase inverter based on new silicon carbide MOSFET[J]. Power Electronics, 2017, 51(9): 39-41.
    [5] 苏杭, 姜燕, 刘平, 等. 7.5 kW电动汽车碳化硅逆变器设计[J]. 电源学报, 2019, 17(3): 126-132.

    Su Hang, Jiang Yan, Liu Ping, et al. Design of silicon carbide inverter for 7.5 kW electric vehicle[J]. Journal of Power Supply, 2019, 17(3): 126-132.
    [6] 李东, 王喜乐, 李岩, 等. 基于全碳化硅的车辆辅助逆变器应用研究[J]. 电力电子技术, 2020, 54(10): 47-49.

    Li Dong, Wang Xile, Li Yan, et al. Application research on vehicle auxiliary inverter based on all-silicon carbide[J]. Power Electronics, 2020, 54(10): 47-49.
    [7] 李凤禄. 基于串入并出结构的地铁列车全碳化硅辅助变流器研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2020.
    [8] 马保慧. 基于Si和SiC器件的逆变器系统性能对比研究[J]. 电气传动, 2017, 47(8): 3-6, 48.

    Ma Baohui. Comparative study on inverter system performance based on Si and SiC devices[J]. Electric Drive, 2017, 47(8): 3-6, 48.
    [9] 尹太元, 王跃, 段国朝, 等. 基于零直流电压控制的混合型MMC-HVDC直流短路故障穿越策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(S1): 343-351.

    Yin Taiyuan, Wang Yue, Duan Guochao, et al. Hybrid MMC-HVDC DC short-circuit fault ride-through strategy based on zero DC voltage control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 343-351.
    [10] 栾新宇, 樊波, 张瑞, 等. 基于改进虚拟磁链的储能变流器直接功率控制[J]. 火力与指挥控制, 2018, 43(10): 93-98.

    Luan Xinyu, Fan Bo, Zhang Rui, et al. Direct power control of energy storage converter based on improved virtual magnetic linkage[J]. Fire Power and Command Control, 2018, 43(10): 93-98.
  • 加载中
图(29) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  56
  • HTML全文浏览量:  16
  • PDF下载量:  16
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号