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电动汽车驱动 工商业光伏 ★ 5.0

集成式感应电机驱动器在变速工业应用中的研究

Integrated Induction Motor Drive for Variable Speed Industrial Applications

作者 Milad Bahrami-Fard · Tianyu Chen · Ethan Alejandro Winchell · Babak Fahimi
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 工商业光伏
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 集成电机驱动系统 氮化镓晶体管 功率变换器集成 热管理 功率脉动缓冲器
语言:

中文摘要

将电机与功率变换器集成,并利用宽禁带器件,是电机驱动系统的一个新兴趋势,有助于降低系统复杂度、实现紧凑化并节省成本。然而,将功率变换器集成到电机中也带来了一些挑战,包括空间有限、温度过高以及电机内部存在漏磁等问题。本研究提出了一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)的集成电机驱动(IMD)系统,该系统对功率级的印刷电路板(PCB)布局进行了优化,并通过重新设计端盖来增强散热性能。此外,还提出了一种带有功率脉动缓冲器的单相功率因数校正前端,以将整流器集成到电机中。实验测试验证了该集成系统的变频运行能力。本文针对集成式功率变换器设计、电磁兼容性和热管理方面的挑战提出了解决方案。所提出的解决方案包括采用功率脉动缓冲器来减小直流母线电容,以及采用优化的半桥布局来最小化杂散电感,从而提升IMD系统的性能。

English Abstract

Integration of motor and power converter while leveraging wide-bandgap devices represents an emerging trend in motor drive systems, offering reduction in complexity, compactness, and cost savings. However, the integration of power converters into motors poses several challenges including limited space, high temperatures, and exposure to leaking magnetic flux within electric machines. This study presents a gallium nitride high-electron-mobility transistor (HEMT)-based integrated motor drive (IMD) system, where the printed circuit board (PCB) layout of the power stage is optimized and the thermal dissipation is enhanced through a redesign of the endcap. Additionally, a single-phase power factor correction front-end with a power pulsation buffer is proposed to integrate a rectifier into the motor. Experimental tests validate the variable frequency operation of the integrated system. This article addresses remedies to challenges in design of integrated power converter, electromagnetic compatibility, and thermal management. The proposed solution includes a power pulsation buffer to reduce dc-link capacitance and an optimal half-bridge layout to minimize stray inductance, thereby enhancing the performance of the IMD system.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇关于集成式感应电机驱动系统的研究具有重要的技术参考价值。论文提出的氮化镓(GaN)HEMT器件集成方案与我司在光伏逆变器、储能变流器领域的技术演进方向高度契合。

**技术价值分析**:该研究的核心创新在于通过宽禁带半导体器件实现电机与变流器的深度集成,这与阳光电源在逆变器小型化、高功率密度方面的技术追求一致。特别是其提出的PCB优化布局、半桥结构杂散电感最小化设计,可直接应用于我司1500V高压光伏逆变器和储能PCS产品中,有助于进一步提升系统效率和可靠性。论文中的功率脉动缓冲技术能够减少直流母线电容需求,这对降低储能系统成本、延长设备寿命具有实际意义。

**应用前景评估**:该技术在工业变频、新能源汽车驱动等领域已展现应用潜力,技术成熟度处于工程化验证阶段。对阳光电源而言,可重点关注其在光储充一体化系统中的应用——集成式驱动技术可为充电桩、储能温控系统等辅助设备提供更紧凑的解决方案。

**技术挑战与机遇**:论文指出的高温环境、电磁兼容、散热管理等挑战,恰是阳光电源在户外型逆变器设计中积累深厚经验的领域。建议我司研发团队深入研究其端盖散热优化设计和EMC解决方案,结合自身的热管理技术和磁集成经验,开发适用于极端环境的高集成度变流器平台,进一步巩固在新能源电力电子领域的技术领先地位。