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电动汽车驱动 GaN器件 ★ 5.0

一种用于氮化镓电机驱动器的新型自适应死区时间控制方法

A Novel Adaptive Dead-Time Control Method for GaN-Based Motor Drives

作者 Haihong Qin · Xiaoxue Zheng · Wenlu Wang · Qian Xun
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年7月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 氮化镓器件 自适应死区时间控制 电机驱动 开关损耗 总谐波失真
语言:

中文摘要

与硅器件相比,氮化镓(GaN)器件更适合在电机驱动应用中实现高开关频率,从而提高功率密度。然而,提高开关频率也会导致额外的开关损耗和较差的总谐波失真(THD)。较小的死区时间可以缓解这些问题,但传统的恒定死区时间设计方法难以在所有负载范围内确保最佳性能。本文针对相臂中的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)提出了一种新颖的自适应死区时间控制方法,以同时提高电机驱动的效率和总谐波失真性能。为此,对双脉冲测试电路中氮化镓高电子迁移率晶体管的详细开关过程进行了建模和分析。揭示了死区时间设置的优化原理,考虑了死区时间对开关损耗和总谐波失真的权衡效应。自适应死区时间控制方法可在不同负载条件下动态调整死区时间。所提方法的有效性在一个基于氮化镓的1千瓦永磁同步电机驱动平台上得到了验证。大量实验结果表明,与恒定死区时间控制方法相比,在开关频率为100千赫兹的满载情况下,所提方法可使效率提高达0.85%。同时,在相同条件下,总谐波失真降低了1.44%。

English Abstract

Compared to Si devices, Gallium Nitride (GaN) devices are more suitable for achieving high switching frequency in motor drive applications, thereby improving power density. However, increasing switching frequency can also lead to extra switching losses and poor total harmonic distortion (THD). A smaller dead-time can mitigate these issues, but conventional constant dead-time design methods struggle to ensure optimal performance across all load ranges. This paper proposes a novel adaptive dead-time control method for GaN high electron mobility transistors (HEMTs) in phase-legs to simultaneously enhance the efficiency and THD of motor drives. To achieve this, the detailed switching process of GaN HEMTs in a double-pulse test circuit is modeled and analyzed. The optimization principle of the dead-time setting is revealed, considering the tradeoff effect of dead-time on switching losses and THD. The adaptive dead-time control method dynamically adjusts the dead-time under different load conditions. The effectiveness of the proposed method is verified on a 1 kW GaN-based permanent magnet synchronous machine drive platform. Extensive experimental results show that the proposed method can increase efficiency up to 0.85% at full load with a switching frequency of 100 kHz compared to constant dead-time. Meanwhile, THD is reduced by 1.44% under the same condition.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于GaN器件的自适应死区时间控制技术具有重要的战略价值。GaN功率器件相比传统Si器件能够实现更高的开关频率,这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域追求高功率密度、小型化设计的目标高度契合。

该技术的核心创新在于通过动态调整死区时间来平衡开关损耗与总谐波畸变率(THD)之间的矛盾。在我们的组串式逆变器和储能PCS产品中,传统固定死区设计在轻载和满载工况下难以兼顾效率与电能质量。论文提出的自适应控制方法能够在100kHz开关频率下实现0.85%的效率提升和1.44%的THD改善,这对于提升系统级能量转换效率和电网适应性具有直接意义。特别是在大型地面电站和工商业储能应用中,即使是0.85%的效率提升也能带来可观的经济收益。

从技术成熟度评估,该方法已在1kW电机驱动平台上验证,但向我们数百千瓦至兆瓦级产品的工程化应用仍需解决若干挑战:首先是GaN器件在高压大功率场景下的可靠性验证;其次是自适应算法在复杂电网工况和温度变化下的鲁棒性;再者是GaN器件的供应链成熟度和成本控制。

该技术为阳光电源在下一代高频化、高密度逆变器和储能变流器的研发提供了重要参考路径。建议将其纳入我们的GaN技术路线图,优先在户用储能等中小功率产品上进行技术验证,逐步向更高功率等级拓展,以保持在新能源电力电子技术领域的领先优势。