在交流电机驱动器中使用碳化硅器件，相比硅基解决方案，能够带来更高效率和降低高达50%功率损耗的优势。可以利用高频开关和改善的热性能来减小无源元件尺寸和冷却要求，从而实现紧凑的驱动器。然而，碳化硅的快速开关可能会因过电压和快速上升时间而产生可靠性问题。在本文中，我们将讨论一种可以缓解这些可靠性问题的驱动器配置。

交流电机驱动器中的过电压

为电机提供交流电压的逆变器的脉宽调制会在定子绕组端子处引起过电压。连接逆变器和电机的电缆是一条传输线，因此会受到反射波的影响。过电压是由电机和电缆之间的阻抗不匹配引起的。这些瞬态过电压取决于几个因素，例如电缆的固有频率、电缆阻尼损耗、功率器件开关频率、开关转换压摆率(dV/dt)或上升/下降时间以及电机参数。考虑图1所示的基本交流电机驱动器原理图。

图1

逆变器以频率fsw进行开关，并具有产生上升时间tr的dV/dt压摆率。连接到电机的电缆长度为L，其振荡基频fo定义为：

fo = 1 / (2 * √(Lo * Co))

这里，Lo和Co是电缆的单位长度电感和电容。这些参数取决于电缆的线规。较高的美国线规表示直径较小的电缆，这会导致较低的fo。

临界长度Lc定义为电机电压达到直流母线电压VDC两倍时的电缆长度，定义为：

Lc = (tr * v) / 2 (其中v是波在电缆中的传播速度，与Lo和Co相关)

碳化硅mosfet的开关频率可以是硅IGBT器件的10倍左右。例如，考虑一个tr = 20 ns的碳化硅MOSFET， versus 一个tr = 144 ns的IGBT。对于#6 AWG电缆，碳化硅MOSFET的Lc仅为3米，而IGBT的Lc为25米。

开关频率强烈影响过电压峰值。为了将过电压限制在两倍VDC以内，最大开关频率fsw_max已被证明取决于：

fsw_max ∝ (do) / (tr * D) (这里D是开关占空比，do是电缆直径)

为了让碳化硅MOSFET以超过100 kHz的频率开关(而IGBT为15 kHz或更低)，相应的fo需要增加至少30倍，并且电缆长度需要相应减小，以避免双脉冲。

另一个因素是局部放电，即使在低于两倍VDC的过电压下，局部放电也可能劣化绕组绝缘。开关tr的减小会降低绝缘耐压能力。IEC60034标准针对给定的上升时间设定了最大过电压的指导方针。

图2显示了压摆率为60 kV/µs的碳化硅MOSFET与压摆率为8 kV/µs的IGBT之间的比较。还显示了这两种器件在2米、#6 AWG电缆上单脉冲的峰值过电压仿真结果。如图所示，碳化硅MOSFET产生的过电压超过了EC60034的指导方针。

图2

为了在将产生的过电压保持在合理水平的同时，充分利用碳化硅MOSFET的高开关频率优势，已经提出了几种技术。这些包括dV/dt滤波器、有源栅极驱动、软开关等。下面，我们讨论由意大利墨西拿大学的Salvatore De Caro及其在该大学和意法半导体的同事提出的开源绕组配置方案。

采用开源绕组配置缓解过电压

开源绕组配置的基本原理涉及在电机绕组的另一端使用第二个逆变器(相对于第一个逆变器)。这两个逆变器可以由同一个直流母线供电，可以是相同的，并且功率定额是单个逆变器的一半。

单相的基本原理图如图3所示。第一个逆变器VIN1产生的过冲可以通过在适当时间开通第二个逆变器来补偿。目标是在过冲时间框架内在电机两侧产生同相的电压脉冲，从而最小化电机线圈两端的电压。

图3中的相电压Vim可以写成：

Vim = VIN - VI'N

由于VIN和VI'N都在0V和VDC之间开关，上述方程产生了一个三电平调制，其中Vim可以达到0V、+VDC或-VDC。为了实现过电压抑制，在一个持续时间间隔TDW期间，两个逆变器上的高端开关S1+和S'1+都导通。然后S'1+在时间TDW时关断，在死区时间间隔后S'1-导通时恢复正常运行。

图3

计算表明，最佳TDW为：

TDW ≈ √(Lo * Co) * L (即与电缆的电气长度相关)

在此条件下，VIN和VI'N在过冲时间框架内同相，因此过冲可以被最小化。

开源绕组配置的特性

所提出的配置依赖于两个逆变器之间的相互作用和持续时间TDW来实现过冲消除。然而，并不需要对这个时间进行精确调节。仿真表明，即使TDW与最佳值偏差15%，过冲仍然仅为VDC的20%。

TDW对连接逆变器到电机的两根电缆参数差异也不过于敏感。这两根电缆长度之间20%的差异仅产生10%的过冲。

当使用较低fo的电缆，或者对于具有较高AWG(即更细的电缆)的电缆，TDW随电缆长度L的增加而增加。

引入TDW不会影响基波电压分量的有效值。因为在这段时间内，VM波形的一小部分从正半波和负半波中等量减去，平均值保持不变。

增加TDW有效地产生了三电平电压调制。

开源绕组配置所需更多功率器件，可以通过消除输出滤波器在成本和空间上得到补偿。输入滤波器、直流母线电容器、传感器和通信接口可以在两个逆变器桥臂之间共享。据估计，对于一个10千瓦的驱动器，实施开源绕组所带来的成本和体积增加与其他过电压缓解方案(如端接滤波器)相当。

为了缓解问题而添加滤波器会导致功率损耗增加约1%，而开源绕组方案实际上比传统驱动器的效率略有提高。

开源绕组驱动器的实现

作者采用了一种改进的空间矢量调制方法来实现开源绕组驱动。使用了一个由1.2千瓦、380伏、50赫兹电机构成的测试平台，并在VDC = 200伏下使用两个逆变器。使用了额定电压600V、电流43A的碳化硅MOSFET，开关频率为100 kHz，两端使用4米、6 AWG电缆。

当基于电缆参数使用294纳秒的最佳持续时间时，相电压和线间电压都避免了过电压，而不会引起相电流的任何显著变化。这些结果验证了仿真。此外，与传统的驱动器相比，在满载下展示了近0.4%的效率提升。