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基于脉冲模式优化辅助的模型预测控制用于碳化硅永磁同步电机驱动以同时降低共模和差模电压
Pulse Pattern Optimization-Assisted MPC for SiC-Based PMSM Drives to Reduce Both Common-Mode and Differential-Model Voltages
| 作者 | Chenwei Ma · Yunqiang Wu · Wensheng Song · Jiayao Li · Xiling Hu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅功率器件 永磁同步电机驱动系统 模型预测控制 共模电压 差模电压 |
语言:
中文摘要
随着碳化硅(SiC)功率器件在永磁同步电机(PMSM)驱动系统中的应用,电机侧的电压过冲问题变得更加突出。在模型预测控制(MPC)框架内,一些策略已考虑降低共模电压(CMV)。然而,基于模型预测控制的碳化硅永磁同步电机驱动系统的差模电压(DMV)降低问题尚未得到充分研究。因此,本文提出一种改进的模型预测控制方法,用于同时降低基于碳化硅的永磁同步电机驱动系统的共模电压和差模电压。为避免额外的硬件配置,本研究从电压矢量脉冲模式优化的角度入手。在所提出的方法中,根据调制指数设计了两组脉冲模式,充分考虑了调制区域。在此过程中,考虑死区时间效应,兼顾了共模电压和差模电压尖峰的降低。此外,通过精心制定脉冲模式内部和之间的开关原则,可在不增加开关频率或计算负担的情况下进一步降低转矩脉动。所提出的方法在基于碳化硅的永磁同步电机驱动装置上进行了评估,并与现有的降低共模电压的模型预测控制方法进行了比较,以验证其有效性。
English Abstract
With the application of silicon carbide (SiC) power devices in permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive systems, the voltage overshoot issue on the motor side becomes more prominent. Within the model predictive control (MPC) framework, the common-model voltage (CMV) reduction has been considered in some strategies. However, the reduction of differential-model voltage (DMV) for SiC-based PMSM drives under MPC has not been adequately investigated. Thus, this article proposes an improved MPC to simultaneously reduce CMV and DMV for SiC-based PMSM drives. In order to avoid additional hardware configurations, this work starts from the perspective of voltage vector pulse pattern optimization. In the proposed method, two groups of pulse patterns are designed according to the modulation index in which the modulation region is fully taken into account. Here, the reduction of both CMV and DMV spikes is looked after considering the dead time effect. In addition, with a well-tailored set of principles for the switching within and between the pulse patterns, the torque ripple can be further reduced without increase in switching frequency or computational burden. The proposed method is evaluated on a SiC-based PMSM drive setup and compared with the existing CMV-reduction MPC to demonstrate the effectiveness.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对碳化硅(SiC)功率器件在永磁同步电机驱动系统中的模型预测控制(MPC)优化技术具有重要的应用价值和战略意义。
在技术层面,该研究同时解决共模电压(CMV)和差模电压(DMV)过冲问题,这与我司在光伏逆变器、储能变流器及新能源汽车驱动系统中面临的核心挑战高度契合。随着SiC器件在我司产品线中的广泛应用,其高开关速度带来的电压过冲、电机绝缘应力和电磁干扰问题日益突出。该技术通过脉冲模式优化而非增加硬件成本的方式实现电压抑制,完全符合我司追求高性价比解决方案的产品策略。
对于我司的储能变流器和光伏逆变器业务,该技术的MPC框架与我司现有的先进控制算法具有良好兼容性,可直接应用于电机驱动的储能系统和光伏跟踪系统中。特别是在大功率储能PCS产品中,降低CMV和DMV不仅能延长电机寿命,还能减少滤波器设计复杂度,提升系统可靠性。该技术在不增加开关频率和计算负担的前提下降低转矩脉动,对我司追求高效率、低损耗的技术路线具有积极意义。
从应用前景看,该技术已在实验平台验证,成熟度较高,可纳入我司的技术储备库。主要挑战在于不同功率等级和应用场景下的参数调优,以及与我司现有控制平台的深度集成。建议我司技术团队跟进该方向研究,探索在氢能压缩机驱动、电动汽车电驱系统等新兴业务中的应用潜力,以巩固我司在SiC应用技术领域的领先地位。