摘要：
碳化硅（SiC）材料新一代宽禁带（WBG）功率器件具有阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小、耐高温等优异的性能，在电机驱动系统中具有广泛的应用潜力。本文将SiCMOSFET应用于燃油泵高速永磁同步电机系统中，降低系统散热体积，提高功率密度。为提高电流环动态响应，通过优化电流采样时刻对电流环进行了改进，实验结果表明系统获得了良好的性能，并扩宽了电流环带宽。
引言
永磁同步电机（PMSM）具有效率高、控制性能好、功率密度大等优点已广泛应用于工业、航空航天等领域。随着功率半导体技术的发展，以碳化硅（SiC）为材料的第三代宽禁带（WBG）半导体功率器件已在汽车电驱动、充电电源、感应加热电源等系统中逐步得到应用。SiCMOSFET具有阻断电压高、通态电阻低、开关速度快、耐高温等优异性能，可以降低散热器体积，提升系统功率密度，也可以通过提高开关频率来提升系统性能。目前，Cree、Rohm、英飞凌、三菱等半导体厂商相继推出了电流达数百安培的SiCMOSFET模块，能够满足数十千瓦电机驱动系统的需求。近年来，对于SiCMOSFET应用中的栅极驱动、干扰抑制、系统性能提升策略等方面的研究得到了学者的关注。
高速永磁同步电机可以进一步提升功率密度，但由于绕组电感量小、基波频率高，存在电流谐波大的问题，通过采用宽禁带器件提高开关频率是减小电流谐波的有效方案。为提升高速电机的电流环响应，文献［13-14］针对控制系统时延提出相位补偿的方案，其效果取决于补偿相位的准确性。文献［15-16］通过减小电流采样延时来扩展电流环控制带宽，增加了高速PMSM系统的稳定性。
本文针对高速永磁同步电机驱动系统应用需求，采用SiCMOSFET模块作为功率开关器件，设计了其栅极驱动电路，通过提高开关频率、优化电流采样时刻和计算时序来减小电流环中的延时，提升电流动态响应，实验结果验证了方案的有效性。
１、PMSM的控制策略
1.1、PMSM的矢量控制
表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的电压方程和转矩方程分别为
式中，ud、uq分别为电机的ｄ轴和ｑ轴电压；id、iq分别为ｄ轴和ｑ轴电流；Rs、Ls分别为绕组电阻和电感；ｐ＝ｄ／dt为微分算子；ωｅ为转子的电角速度；ψｆ为转子永磁磁链；ｎｐ为电机的极对数。
采用转子磁场定向id＝0控制，表贴式永磁同步电机可以实现电机的最大转矩电流比运行，矢量控制系统框图如图１所示。
1.2、电流环模型与参数设计
以ｑ轴电流环为例，建立其传递函数模型如图２所示。
图中，kp和ki分别为电流PI调节器的比例和积分系数；Tc为电流采样到更新PWM之间的计算延时；逆变器传递函数可等效为时间常数为TPWM、增益为１的一阶惯性环节，这里TPWM为PWM周期。
记τe为电气时间常数，τe＝Ls／Rs，且有τe＞＞Ｔe,
式中，TPI为调节器时间常数，且有TPI＝kp/ki。
可知电流环的开环传递函数为
由于τe＞＞Tｃ，τｅ＞＞TPWM，两个小时间常数的惯性环节可以近似合并为
其中，Ｔ∑ｉ＝TPWM＋Tｃ。可得到简化后的电流环开环传递函数为
考虑到电机的电磁时间常数远大于电流环总延时，即τｅ＞＞Ｔ∑ｉ，按照典型Ｉ型系统设计电流环，用PI调节器的零点对消掉极点，可得到电流环闭环传递函数：
按照典型二阶系统进行分析，可得到系统阻尼比ξ、开环截止频率ωｃ以及闭环带宽ωｂ，其中闭环带宽取闭环增益减少到-3dB处的角频率和相频特性在-45°处的角频率较低者。可以得到：
可见，电流环延时时间常数ＴΣｉ直接影响电流环带宽，进而影响系统的动态响应能力，减小ＴΣｉ就可以拓展电流环带宽，提高电机电流的响应。
２、电流环的改进
根据上面的分析，提高开关频率和减小计算延迟均提高电流环带宽，本文在采用SiCMOSFET器件来提高开关频率的基础上，对电流采样时刻进行优化设计，减小计算延迟。
为了避免电流谐波对采样电流造成影响，一般在PWM开始或中点时刻进行电流采样。采用DSP的系统中通常在PWM周期开始时刻进行电流采样，这样留给处理器的计算时间为一个PWM周期，更新后的占空比在下一个PWM周期输出，这样从电流采样到计算产生PWM输出延时了一个PWM周期。本系统采用FPGA计算电流环，计算时间可以大大缩短，因而选择在PWM周期中点进行采样，从而可以拓宽电流环带宽，电流采样与计算时序如图３所示。
３、PMSM驱动系统设计
3.1、系统的硬件结构
永磁同步电机驱动系统的硬件结构如图４所示。
逆变器选用Rohm公司的1200Ｖ,180ＡSiCMOSFET半桥模块BSM180D12P2E002构建；主控芯片采用DSP（TMS320F28335）和FPGA（EP4CE22E22I7N）。其中，FPGA用于实现电流环调节，DSP用于转速闭环控制及其他辅助功能。系统采用旋转变压器作为角度和速度测量元件，由AD2S1210解调后将角度和速度值送入FPGA中。
3.2、SiCMOSFET驱动电路设计
SiCMOSFET的驱动电路采用英飞凌隔离型栅极驱动芯片1ED020I12-F2，电路结构如图5,实物图如图６所示。1ED020I12-F2是单通道隔离IGBT/MOSFET驱动器，可用于600Ｖ/1200Ｖ等级功率管，最大驱动电流位±2Ａ，具有去饱和过流检测和米勒钳位功能。每个SiCMOSFET器件需要一片1ED020I12-F2芯片，芯片的前端与控制电路相连，后端由＋15Ｖ转+18Ｖ和-4Ｖ的隔离DC/DC电源供电。过流保护功能通过饱和压降检测的方式实现，器件导通期间芯片内部0.5ｍＡ恒流源通过DESAT引脚给外部消隐电容充电，若功率器件电流过大导致导通压降升高，使得电容上的电压超过9V阈值，立即产生过流保护信号并使输出拉低。不像IGBT能够允许10μs的短路时间，SiCMOSFET的短路时间一般不超过3μｓ,短路保护时间通过选择消隐电容值来设定。CLAMP为米勒钳位功能引脚,当关断期间检测到栅极信号高于２Ｖ时，该引脚自动拉至负电源，以防止信号串扰造成误导通。
４、实验结果
对SiCMOSFET驱动电路进行了双脉冲测试和过流保护功能测试，测试结果分别如图7和图８所示。在双脉冲的触发下，SiCMOSFET实现了大电流的开通与关断；当发生过流后，去饱和引脚DESAT电压在３μｓ左右上升至阈值，驱动芯片将输出信号自动拉低。
本系统供电电压为500VDC,电机额定功率32KW，额定转速13000r/min，开关频率20khz。6000r/min稳态下的三相绕组电流波形如图９所示，电流有效值为46Ａ。为考核电流环响应，将电机堵转并给定ｑ轴电流为250hz正弦量，电流环采样与更新时刻改进前后的测试结果如图10所示，改进后电流动态响应加快。
５、结论
本文针对高速永磁同步电机设计了采用SiCMOSFET功率模块的驱动系统，通过提升开关频率和优化电流采样时刻扩展了电流环控制带宽，设计了具有去饱和过流检测和米勒钳位功能的栅极驱动电路，并进行了双脉冲和过流测试。实验结果表明，采用SiCMOSFET器件的电机驱动系统获得了良好的系统性能，提升了电机电流的动态响应。
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