一种基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统。该方法根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感L

【技术实现步骤摘要】
一种基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统


[0001]本专利技术属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有功率密度高、效率高、调速性能好等优势，被广泛应用于新能源发电、电动汽车、伺服电机等领域。
[0003]电力电子器件为能源技术发展目标所需要的关键材料装备支撑，要求到2030年我国的新型电力电子元器件等先进输变电装备达到国际先进水平。
[0004]长期以来，交流电机变频调速驱动系统主要采用硅基功率器件，经过近几十年的发展已经形成较为成熟的设计和控制理论，但受限于硅基功率器件特性，在应用过程中出现的高品质与低损耗、高开关速度与低EMI、高安全可靠性与快速动态响应等瓶颈问题难以解决。
[0005]目前，交流电机调速系统已呈现出高频化、超高频化的趋势，并随着半导体产业的革新，基于氮化嫁(Gallium Nitride,GaN)材料的功率器件具有优良的开关特性和高频工作性能。于是，采用GaN功率器件的交流电机变频调速系统得到了越来越多的关注，GaN基交流电机调速系统的开关频率也可以从几kHz、几十kHz提高到几百kHz。其次，GaN基功率器件与硅基功率器件相比，具有电场强度高、能带宽度大、电子速度快、熔点高等多方面优势，将其应用于交流电机变频调速驱动系统可通过提高开关频率有效减小电机的电磁转矩脉动并大幅提高其动态性能，可通过减小功率器件的损耗实现电机驱动效率提升，可通过紧凑和耐高温设计有效增加变频调速系统的功率密度。因此，选取具有节能优势的GaN基交流电机调速系统作为研究对象，对其应用中面临的问题开展相关研究，具有重要的理论意义和现实价值。
[0006]然而，由于GaN功率器件更加快速的开关动作与更高的开关频率，在电机侧会出现极高的du/dt，从而使电机轴电压与轴电流增加，进而导致了轴承与定子绕组绝缘损伤问题突出，影响电机使用寿命。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统，用于解决上述问题。
[0008]本专利技术按以下技术方案实现：
[0009]一方面，本专利技术提供了一种基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法，该方法包括以下步骤：
[0010]根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感L
f
进行约束，并根据实际工况确定出滤波电感L
f
值；
[0011]在q轴下将永磁同步电机电流方程中的交叉耦合项作为扰动源，并将永磁同步电机将等效为电机反电动势以及电感和电阻的串联；
[0012]令电机反电动势为0，在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
；
[0013]根据阻尼支路电流i
f
和滤波电阻R
f
值，求出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
；
[0014]通过确定出滤波电感L
f
值和阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
得到电容Cf1和Cf2之间的关系，并根据电容Cf1和Cf2之间的关系、谐振频率以及电容体积因素确定出电容Cf1、Cf2值；
[0015]根据劳斯判据确定滤波电阻R
f
的取值。
[0016]在一种实施方式中，所述根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感L
f
进行约束，包括：
[0017](1)逆变器交流侧电流的最大纹波小于逆变器交流侧峰值电流的20％；
[0018](2)滤波电感基波压降不大于5％的永磁同步电机的额定电压；
[0019]所述滤波器电感L
f
为：
[0020][0021][0022]其中，U
dc
为直流母线电压，ΔI
m
为所允许的电感电流纹波最大幅值，f
s
为GaN功率器件的开关频率，U
s
为永磁同步电机额定电压，i
inv
为逆变器交流侧电流的有效值。
[0023]在一种实施方式中，所述在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
的表达式分别为：
[0024][0025]其中，L
q
为永磁同步电机q轴等效电感，R
s
为永磁同步电机q轴等效电阻，Cf1为滤波电容，Cf2滤波器阻尼支路的滤波电容，R
f
为滤波器滤波电阻。
[0026]在一种实施方式中，所述根据阻尼支路电流i
f
和滤波电阻R
f
值，求出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
，包括：
[0027]将s＝jω带入在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
的表达式中；
[0028]令C
f1
＝αCf2(α为电容系数，α>0)，求得阻尼支路电压u
f
和阻尼支路电流i
f
的模值；
[0029][0030]根据阻尼支路电压u
f
和阻尼支路电流i
f
的模值，得出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
。
[0031]在一种实施方式中，所述阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
为：
[0032][0033]其中，R
f
为滤波电阻值，i
f
为阻尼支路电流。
[0034]在一种实施方式中，所述谐振频率为介于10倍的永磁同步电机额定频率和1/10倍的GaN开关频率之间。
[0035]在一种实施方式中，所述根据劳斯判据确定滤波电阻R
f
的取值，包括：
[0036]令电机的定子电阻R
s
＝0，得出系统在无阻尼情况下滤波电阻R
f
的取值；
[0037]在复频域下得到电机电流i
sq
与输入电压u
i
之间的传递函数；
[0038]忽略系统积分系数，得出系统闭环传递函数；
[0039]忽略系统电流环PI控制器中的积分系数，得出简化后系统闭环传递函数；
[0040]通过系统闭环传递函数得到闭环传递函数下的劳斯表，并根据劳斯稳定性判据，得到滤波电阻R
f
的取值。
[0041]在一种实施方式中，所述通过系统闭环传递函数得到闭环传递函数下的劳斯表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，该方法包括：根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感L
f
进行约束，并根据实际工况确定出滤波电感L
f
值；在q轴下将永磁同步电机电流方程中的交叉耦合项作为扰动源，并将永磁同步电机将等效为电机反电动势以及电感和电阻的串联；令电机反电动势为0，在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
；根据阻尼支路电流i
f
和滤波电阻R
f
值，求出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
；通过确定出滤波电感L
f
值和阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
得到电容Cf1和Cf2之间的关系，并根据电容Cf1和Cf2之间的关系、谐振频率以及电容体积因素确定出电容Cf1、Cf2值；根据劳斯判据确定滤波电阻R
f
的取值。2.根据权利要求1所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感L
f
进行约束，包括：(1)逆变器交流侧电流的最大纹波小于逆变器交流侧峰值电流的20％；(2)滤波电感基波压降不大于5％的永磁同步电机的额定电压；所述滤波器电感L
f
为：为：其中，U
dc
为直流母线电压，ΔI
m
为所允许的电感电流纹波最大幅值，f
s
为GaN功率器件的开关频率，U
s
为永磁同步电机额定电压，i
inv
为逆变器交流侧电流的有效值。3.根据权利要求1所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
的表达式分别为：的表达式分别为：其中，L
q
为永磁同步电机q轴等效电感，R
s
为永磁同步电机q轴等效电阻，Cf1为滤波电容，Cf2滤波器阻尼支路的滤波电容，R
f
为滤波器滤波电阻。4.根据权利要求3所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述根据阻尼支路电流i
f
和滤波电阻R
f
值，求出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
，包括：
将s＝jω带入在复频域内分析得出阻尼支路电压u
f
与逆变器交流侧电压u
i
的比值及阻尼支路电流i
f
的表达式中；令C
f1
＝αCf2(α为电容系数，α>0)，求得阻尼支路电压u
f
和阻尼支路电流i
f
的模值；的模值；根据阻尼支路电压u
f
和阻尼支路电流i
f
的模值，得出阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
。5.根据权利要求4所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述阻尼支路上R
f
损耗的功率P
R
为：其中，R
f
为滤波电阻值，i
f
为阻尼支路电流。6.根据权利要求1所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述谐振频率为介于10倍的永磁同步电机额定频率和1/10倍的GaN开关频率之间。7.根据权利要求1所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述根据劳斯判据确定滤波电阻R
f
的取值，包括：令电机的定子电阻R
s
＝0，得出系统在无阻尼情况下滤波电阻R
f
的取值；在复频域下得到电机电流i
sq
与输入电压u
i
之间的传递函数；忽略系统积分系数，得出系统闭环传递函数；忽略系统电流环PI控制器中的积分系数，得出简化后系统闭环传递函数；通过系统闭环传递函数得到闭环传递函数下的劳斯表，并根据劳斯稳定性判据，得到滤波电阻R
f
的取值。8.根据权利要求7所述的基于GaN功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计方法，其特征在于，所述通过系统闭环传递函数得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴翔，刘志恒，张宇阳，李超，李佳，王储，仲浩，李帅，谭国俊，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：