隨著硅和寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，電源轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。這些技術(shù)的革新使得逆變器能夠以高達幾百千赫茲甚至兆赫茲的頻率運行，同時還能大幅降低動態(tài)損耗。從電動機的角度來看，更高的開關(guān)頻率能夠提高電動機效率、減少扭矩波動并改善控制響應(yīng)。然而，要全面了解增加開關(guān)頻率對電機驅(qū)動系統(tǒng)的影響，就必須考慮逆變器和電機之間復(fù)雜的相互作用。本文將詳細研究兩種電機驅(qū)動系統(tǒng)（一種帶有定子鐵芯，一種不帶有定子鐵芯）在不同條件下的運行情況，通過比較分析，深入探究它們在整個運行范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)。

電動發(fā)電機測試平臺

為了探索電機驅(qū)動器中高開關(guān)頻率的優(yōu)勢，研究人員采用了兩種不同的設(shè)置。個電機發(fā)電機平臺基于電鉆電機，第二個平臺則采用無芯電機。兩款電機的規(guī)格如下表所示：

這兩種設(shè)置（如圖 1 所示）均由使用英飛凌 100 - V 4 - mΩ OptiMOS 硅技術(shù)構(gòu)建的三相逆變器驅(qū)動。同時，使用兩個 XMC 4400 驅(qū)動卡實現(xiàn)傳感器磁場定向控制，分別以速度和扭矩控制模式控制電機和發(fā)電機逆變器。這樣的設(shè)置使研究人員能夠評估不同功率水平下的電機驅(qū)動器性能。

自動測試序列

為了進行全面分析，研究人員采用自動化測試程序，當以下四個參數(shù)發(fā)生變化時進行測試：電機轉(zhuǎn)速、扭矩、逆變器開關(guān)頻率和死區(qū)時間。圖 2 展示了獲得的波形，該波形適用于具有定子鐵心的兩個不同的逆變器開關(guān)頻率（20 kHz 和 100 kHz）和兩個死區(qū)時間（25 ns 和 100 ns）的電機，同時保持恒定的 2,000 kRPM 電機速度。

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，在每個扭矩曲線步驟之后都安排了一段休息時間。在整個測試過程中，逆變器、電機和系統(tǒng)效率在各種條件下進行測量并進行分析，以深入了解電機驅(qū)動系統(tǒng)的行為。

測量結(jié)果

• 逆變器效率：測試結(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，無鐵芯電機系統(tǒng)的有效功率因數(shù)更高，從而導(dǎo)致逆變器效率更高。對于高負載條件下逆變器總功率損耗約為 20 W 的情況，無芯系統(tǒng)可分別在電機轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 和 6 kRPM 時產(chǎn)生 2.3 倍至 2.6 倍的逆變器輸出功率。這表明無芯電機系統(tǒng)在高負載情況下能夠更有效地利用電能，提高逆變器的工作效率。
• 電機效率：更高的開關(guān)頻率對兩種系統(tǒng)的電機效率都產(chǎn)生了積極影響。這種改進主要歸因于更高開關(guān)頻率下磁滯和諧波損耗的減少。無芯系統(tǒng)尤其表現(xiàn)出顯著的電機效率提升，因為沒有磁滯損耗，諧波損耗成為主導(dǎo)因素。有趣的是，盡管無芯系統(tǒng)的電機繞組時間常數(shù)大約高出 10 倍，但產(chǎn)生的諧波相關(guān)電機損耗卻更多。例如，在電機轉(zhuǎn)速為 2 kRPM 時，無芯電機產(chǎn)生的損耗是其 2.1 倍，而等效逆變器輸出功率約為 220 W。盡管如此，趨勢表明，隨著開關(guān)頻率的增加，無芯系統(tǒng)中的電機效率會顯著提高。這說明在高開關(guān)頻率下，無芯電機能夠更好地減少諧波損耗，從而提高電機效率。
• 系統(tǒng)效率：系統(tǒng)效率曲線突出表明，與使用 GaN 和 OptiMOS 的系統(tǒng)不同，隨著開關(guān)頻率的增加，逆變器效率下降更為顯著。盡管電機效率在所有速度下都有所提高，但這種提高往往無法抵消系統(tǒng)中帶有的逆變器效率損失。的例外發(fā)生在較低功率水平和 6kRPM 的電機速度下，此時系統(tǒng)效率在更高的開關(guān)頻率下有所提高。對于無芯系統(tǒng)，系統(tǒng)效率在所有速度下均有所提高，在更高的開關(guān)頻率下運行時，效率可提高約 10%。與電機效率類似，系統(tǒng)功率損耗在所有速度下都較高，但在 2kRPM 時除外，此時無芯系統(tǒng)可以產(chǎn)生 1.1 倍以上的逆變器輸出功率，而等效系統(tǒng)功率損耗約為 39W。這表明無芯系統(tǒng)在高開關(guān)頻率下能夠更有效地提高系統(tǒng)整體效率。