基于碳化硅器件的高功率密度电机驱动器关键技术研究

Novel Silicon Carbide (SiC) power electronics devices have the advantages of low power losses, tolerance of high temperature and fast switching. It is possible to be the next generation device for high density motor drives applied in transportation. Research in this area is just beginning both in China and abroad, many fundamental and core problems need further solutions. Through development of motor drive based on SiC devices, this project will study the influence of SiC devices on motor drive's performance and power density, as well as the solution for the scientific problems for SiC device application in motor drives including high temperature performance, electromagnetic interference (EMI) reduction and control bandwidth increasing. First, study of SiC motor drive will be through modular design method and high speed permanent magnetic motor control experiment, to evaluate the improvement of efficiency and control performance. On the basis of the first step, theoretical analysis and experimental study will be carried out for EMI characteristics and method for reduction for SiC motor drives, and the capability for control bandwidth increasing. General evaluation of the advantages of SiC devices for motor drive's power density and control performance will be done through this project. The work of this project will build basis for future application of novel high density motor drives in transportation system like aerospace system.

新型碳化硅器件具有低损耗、耐高温和快速开关的优势，具备成为应用在交通运载系统中新一代高功率密度电机驱动的理想器件的条件。国内外在此领域的研究尚处于起步极端，很多基础的关键性问题需要解决。本项目通过研发基于碳化硅器件的电机驱动器，研究碳化硅器件对电机驱动性能及功率密度的影响，以及解决碳化硅器件在电机驱动应用中在高温特性、电磁干扰抑制和控制环带宽提高等关键科学问题。首先通过模块化设计方法研发碳化硅电机驱动器，并通过高速永磁同步电机控制试验研究系统在效率和控制性能上的改进；在此基础上，通过理论分析与试验来研究基于碳化硅的电机驱动系统的电磁干扰特性和抑制方法，以及在控制环带宽上的提高能力。通过这些研究工作全面综合评估碳化硅器件在电机驱动器功率密度和控制性能上的优势，为未来以航空航天为代表的运载系统应用新型高功率密度电机驱动器打下基础。

新一代碳化硅功率器件具有低损耗、耐高温和快速开关的优势，在高功率密度电机控制器的应用中具有广阔的前景。本项目通过三年的研究，在碳化硅电机控制器样机开发的基础上，探索了碳化硅器件应用于电机控制的主要问题。首先，基于模块化设计方法开发了碳化硅电机控制器样机并完成了基本的实验研究，证明了碳化硅器件在电机控制应用的可行性与优势。在此基础上，重点研究了碳化硅器件应用对电机控制器电磁干扰的挑战以及抑制方法。研究指出，开关速度的增加和开关频率的提高分别对高频和中低频的电磁干扰带来了挑战，主要的抑制方法包括滤波器设计，先进脉宽调制策略以及结合拓扑和调制的新电机控制方法。另外，本项目还研究了基于系统辨识技术的控制环带宽测试方法，实验证明了碳化硅电机控制器开关频率的提高对动态响应的改善。相关的研究为未来交通电气化等领域应用基于碳化硅器件的高功率密度电机控制器解决了部分关键科学问题，具有理论和应用的价值。