硅和寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的進步徹底改變了功率轉(zhuǎn)換器，使逆變器能夠在高達數(shù)百千赫茲甚至兆赫茲的頻率下運行，同時大幅降低動態(tài)損耗。當(dāng)單獨檢查電動機時，較高的開關(guān)頻率可以提高電動機效率、減少扭矩脈動并改善控制響應(yīng)。
　　然而，為了了解開關(guān)頻率增加對電機驅(qū)動系統(tǒng)的影響，考慮逆變器和電機之間復(fù)雜的相互作用至關(guān)重要。本文將研究在不同條件下運行的兩種電機驅(qū)動系統(tǒng)（一種帶定子芯，一種不帶定子芯）。比較分析將為它們在整個操作范圍內(nèi)的性能提供實用的見解。
　　電動發(fā)電機測試平臺

　　使用兩種不同的設(shè)置來探索電機驅(qū)動器中高開關(guān)頻率的好處。個電動發(fā)電機平臺基于電鉆電機，而第二個平臺則采用無芯電機。

　　兩種設(shè)置（圖 1）均由采用 Infineon 的 100V 4mΩ OptiMOS 硅技術(shù)構(gòu)建的三相逆變器驅(qū)動。使用兩個XMC 4400驅(qū)動卡實現(xiàn)傳感磁場定向控制，分別以速度和扭矩控制模式控制電機和發(fā)電機逆變器。此設(shè)置使我們能夠評估各種功率水平下的電機驅(qū)動器。
　　自動測試序列
　　當(dāng)以下四個參數(shù)發(fā)生變化時，采用自動化測試程序進行全面分析：
　　電機轉(zhuǎn)速
　　扭矩
　　逆變器開關(guān)頻率
　　死區(qū)時間
　　圖 2 顯示了所獲得的波形，該波形適用于具有定子鐵芯的兩個不同逆變器開關(guān)頻率（20 kHz 和 100 kHz）和兩個死區(qū)時間（25 ns 和 100 ns）的電機，同時保持 2,000 kRPM 的恒定電機速度。

　　帶定子鐵芯電機的自動測試程序生成的波形。

　　圖 2：帶定子鐵芯電機的自動測試程序生成的波形
　　為了在整個測試過程中保持一致的電機繞組溫度并減輕溫度變化對測試結(jié)果的影響，每個扭矩曲線步驟后都包含一個休息期。在整個測試序列中，在各種條件下測量逆變器、電機和系統(tǒng)效率并進行分析，以了解電機驅(qū)動系統(tǒng)的行為。
　　測量結(jié)果
　　逆變器效率
　　結(jié)果顯示了兩個測試平臺的逆變器效率曲線。比較這兩個系統(tǒng)時，空心杯電機系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的有效功率因數(shù)，從而提高逆變器效率。
　　對于高負載條件下大約 20 W 的總逆變器功率損耗，無芯系統(tǒng)可以在 2 kRPM 和 6 kRPM 的電機速度下分別產(chǎn)生 2.3 倍至 2.6 倍的逆變器輸出功率。
　　電機效率
　　更高的開關(guān)頻率也對兩個系統(tǒng)的電機效率產(chǎn)生積極影響。這一改進主要歸因于較高開關(guān)頻率下磁滯和諧波損耗的減少。
　　無鐵芯系統(tǒng)在電機效率方面尤其表現(xiàn)出顯著的提高，因為不存在磁滯損耗，從而使諧波損耗成為主要因素。有趣的是，盡管無芯系統(tǒng)的電機繞組時間常數(shù)高出大約 10 倍，但仍產(chǎn)生更多與諧波相關(guān)的電機損耗。
　　例如，在電機速度為 2 kRPM 時，空心杯電機產(chǎn)生的電機損耗增加了 2.1 倍，等效逆變器輸出功率約為 220 W。不過，趨勢表明，空心杯系統(tǒng)中的電機效率隨著開關(guān)頻率的增加而顯著提高。
　　系統(tǒng)效率
　　系統(tǒng)效率曲線表明，與使用GaN和 OptiMOS 的系統(tǒng)不同，隨著開關(guān)頻率的增加，逆變器效率會出現(xiàn)更顯著的降低。盡管所有速度下的電機效率都有所提高，但這種提高往往無法抵消具有的系統(tǒng)中逆變器效率的損失。的例外發(fā)生在較低功率水平和 6 kRPM 電機速度下，系統(tǒng)效率在較高開關(guān)頻率下得到提高。
　　對于無芯系統(tǒng)，所有速度下的系統(tǒng)效率均有所提高，在較高開關(guān)頻率下運行時，系統(tǒng)效率提高了約 10%。與電機效率類似，所有速度下的系統(tǒng)功率損耗都較高，但在 2 kRPM 時除外，此時無芯系統(tǒng)可產(chǎn)生 1.1 倍以上的逆變器輸出功率，等效系統(tǒng)功率損耗約為 39 W。
　　討論
　　這項研究的結(jié)果為電機驅(qū)動系統(tǒng)在高開關(guān)頻率下的效率和性能提供了一些實用的見解。關(guān)鍵要點之一是無芯系統(tǒng)在更高功率因數(shù)的推動下效率顯著提高。逆變器效率的提高，特別是在高負載條件下，表明空心杯電機在化功率輸出至關(guān)重要的應(yīng)用中可能非常有利。
　　此外，結(jié)果證實，更高的開關(guān)頻率可以有效降低電機損耗，特別是諧波損耗，從而提高整體系統(tǒng)效率。這在無鐵心系統(tǒng)中尤其明顯，由于沒有磁滯損耗，可以更清楚地觀察到減少諧波損耗的好處。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了寬帶隙半導(dǎo)體（例如無芯系統(tǒng)中使用的半導(dǎo)體）作為高頻逆變器的理想選擇的潛力。
　　有趣的是，電機和系統(tǒng)功率損耗之間的比較揭示了對不同速度和開關(guān)頻率下電機性能的細致了解。與傳統(tǒng)觀點相反，研究表明，L/R 時間常數(shù)較低的電機（例如空心杯電機）更適合特定開關(guān)頻率下的較低電機速度。這與廣泛接受的觀點有很大的不同，即空心杯電機由于其固有的較低電感和較高電阻，在較高速度下表現(xiàn)更好。相比之下，具有鐵芯和較高 L/R 比的電機在較高速度下表現(xiàn)出卓越的性能，其中諧波損耗的減少變得更加明顯。