幾十年來(lái)，MOS功率器件一直是機(jī)器驅(qū)動(dòng)器中電壓源逆變器 (VSI) 和電流源逆變器 (CSI) 的普遍選擇。然而，功率半導(dǎo)體技術(shù)的最新進(jìn)展，特別是使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體的開發(fā)，已成為一種可行的替代方案。它們的開關(guān)速度比硅基同類產(chǎn)品更快，這使其成為高頻 PWM 開關(guān)應(yīng)用的有吸引力的選擇。 

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但在 VSI 機(jī)器驅(qū)動(dòng)器中使用 WBG 器件作為硅 IGBT 的直接替代品卻帶來(lái)了意想不到的挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI) 水平升高和機(jī)器端子過電壓。因此，采用 WBG 功率半導(dǎo)體進(jìn)行機(jī)器驅(qū)動(dòng)是一個(gè)積極研究和開發(fā)的領(lǐng)域。

Ⅰ. 電壓源逆變器與電流源逆變器

電壓源逆變器 (VSI) 和電流源逆變器 (CSI) 是電力電子中使用的兩種主要逆變器類型，根據(jù)應(yīng)用的不同，每種逆變器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下是兩者之間的主要設(shè)計(jì)和性能差異。

       圖 1a：VSI 逆變器拓?fù)洹?nbsp;              圖 1b：CSI 逆變器拓?fù)洹?/span>

 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的性能和輸出，具有高頻WBG器件的逆變器的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素。

對(duì)于CSI，由一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)組成，包括一個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)續(xù)流二極管。在這種情況下，電感器充當(dāng)緩沖器來(lái)過濾和平滑接收到的輸出。另一方面，VSI 具有更復(fù)雜的架構(gòu)，由直流母線電容器、開關(guān)器件和續(xù)流二極管組成。然而，在這種情況下，直流母線電容器充當(dāng)緩沖器以平滑輸出電壓。

當(dāng)高頻寬帶隙器件出現(xiàn)時(shí)，電感器或電容器的使用和選擇是實(shí)現(xiàn)效率最大化的關(guān)鍵因素。應(yīng)選擇電感值以提供足夠的電感以確保輸出電流平滑，而選擇電容值以提供足夠的電容以確保輸出電壓平滑。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，電感值減小，電容器值增加。因此，VSI 可能需要更大的直流母線電容器才能實(shí)現(xiàn)所需的性能。

電磁干擾差異：

EMI 是機(jī)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是在需要電磁兼容性 (EMC) 的應(yīng)用中。逆變器拓?fù)涞倪x擇會(huì)影響系統(tǒng)產(chǎn)生的 EMI 水平。由于電流源電感器的存在，與 VSI 相比，CSI 產(chǎn)生的 EMI 較小。電感起到濾波器的作用，抑制逆變器產(chǎn)生的高頻諧波。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，電感值會(huì)減小，CSI 產(chǎn)生的 EMI 也會(huì)增加。

另一方面，由于直流母線電容器的存在，與 CSI 相比，VSI 會(huì)產(chǎn)生更多的 EMI。電容器充當(dāng)高頻諧波源，它可以在系統(tǒng)中傳播并影響其他電子設(shè)備。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，由于開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力降低，VSI 產(chǎn)生的 EMI 也會(huì)降低。

效率模擬：

效率是機(jī)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在需要能源效率的技術(shù)中。逆變器拓?fù)涞倪x擇會(huì)影響系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效率水平。與 VSI 相比，CSI 具有更高的效率，特別是由于較低的開關(guān)損耗和電流源電感器的存在。電感器在開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)期間存儲(chǔ)能量，并在關(guān)斷狀態(tài)期間釋放能量，從而降低開關(guān)損耗。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，電感值減小，CSI的效率降低。

圖 2：CSI 和 VSI 的效率比較。

另一方面，由于較高的開關(guān)損耗和直流母線電容器的存在，VSI 的效率相對(duì)較低。電容器在開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)期間存儲(chǔ)能量，并在關(guān)斷狀態(tài)期間釋放能量，從而增加了開關(guān)損耗。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，由于開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力減小，VSI 的效率也隨之增加。

二. 基于 GaN-HEMT WBG 器件的反向電壓阻斷開關(guān)

WBG器件具有高頻開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，提高了逆變器的效率和功率密度。然而，使用這些器件還需要實(shí)施反向電壓阻斷開關(guān)，以保護(hù)逆變器免受反向電壓應(yīng)力。這種反向電壓阻斷開關(guān)可防止電機(jī)產(chǎn)生的電壓傳播回逆變器并損壞開關(guān)器件。

CSI 與 VSI 的半導(dǎo)體開關(guān)需求：硅 MOS 門控電源開關(guān)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)從 CSI 向 VSI 的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兡軌螂p向傳導(dǎo)電流并僅在正向阻斷電壓。這使得它們非常適合 VSI 應(yīng)用，而 VSI 應(yīng)用在當(dāng)今電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，新型寬帶隙器件的出現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于哪種逆變器拓?fù)渥钸m合其功能的問題。雖然 CSI 拓?fù)湓?EMI、效率和過壓等方面具有優(yōu)勢(shì)，但很少有商用功率半導(dǎo)體器件能夠滿足競(jìng)爭(zhēng)性 CSI 的要求，因此正在研究替代方法。

反向電壓阻斷開關(guān)配置：研究人員在實(shí)驗(yàn)過程中評(píng)估了 CSI 的 GaN-HEMT 器件和反向電壓阻斷 (RVB) 開關(guān)的適用性。建議的四種 RVB 開關(guān)拓?fù)浒ù?lián)二極管布置、柵極縮短設(shè)計(jì)、雙源連接 GaN-HEMT 布置和共漏極布置。盡管易于使用，但串聯(lián)二極管配置具有較大的傳導(dǎo)損耗。雙源連接配置適用于雙向開關(guān)，避免了柵極縮短設(shè)計(jì)的電壓損失和振蕩問題。單片RVB器件可以采用共漏極布置制成，這種布置具有降低的導(dǎo)通電阻和更好的反向電壓阻斷能力。

仿真和結(jié)果：選擇共源配置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，使用帶有 GaN-HEMT RVB 開關(guān)的 PCB。設(shè)計(jì)過程中使用ANSYS Q3D和LTSpice進(jìn)行仿真，識(shí)別寄生元件的等效電路如圖3所示。測(cè)試了反向電壓阻斷能力，以及正向和反向電壓阻斷的開關(guān)性能發(fā)現(xiàn)條件是對(duì)稱的。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確匹配，確保了未來(lái)設(shè)計(jì)仿真的有效性。

             圖 3a：用于模擬的測(cè)試電路。圖 3b：反向電壓阻斷 (RVB) 開關(guān)測(cè)試電路波形。

三．結(jié)論

進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析高頻 WBG 器件在 CSI 和 VSI 逆變器拓?fù)渲械氖褂谩?jù)觀察，兩種逆變器拓?fù)渲g的最佳選擇取決于應(yīng)用要求和 EMI 和反向電壓阻斷能力等因素。此外，WBG 器件的使用需要包含反向電壓阻斷開關(guān)，該開關(guān)可以使用共源共柵或肖特基二極管配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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總體而言，高頻寬帶隙器件的使用為提高機(jī)器驅(qū)動(dòng)性能提供了一個(gè)有希望的機(jī)會(huì)，并且需要進(jìn)一步研究來(lái)優(yōu)化特定應(yīng)用的逆變器設(shè)計(jì)。