在中高速电机驱动应用中，电流源逆变器相比传统的电压源逆变器具有一些关键优势。而有刷励磁同步电机则在电动汽车驱动特性中常见的低转矩区域展现出优势。本文总结了一项将CSI逆变器集成到WFSM电机驱动系统中的提案。

CSI电机驱动器的特性

在基于CSI的电机驱动器中，电机的转矩和转速通过定子电流进行控制。需要一个直流母线电感来维持电流的连续。

CSI拓扑结构对逆变器开关的一个关键要求是具备反向电压阻断能力，以防止通过开关体二极管形成短路路径。过去常使用硅控整流器来实现此功能。随着IGBT和功率mosfet的出现，由于不需要反向阻断能力，基于VSI的驱动器获得了更多青睐。基于CSI的驱动器的主要优缺点如下：

可以产生更清洁、更接近正弦波的输出电压和电流。母线电感和用于消除开关谐波而设置在逆变器输出端的滤波电容的滤波效应有助于实现这一点。Hang Dai和Thomas Jahns [1] 进行的CSI与VSI波形对比分析如图1所示。

图1

电磁干扰是电机驱动器中的一个关键问题，尤其是在能够减小无源元件尺寸的高开关频率下。研究表明，VSI驱动器会产生共模EMI，尤其是在较高频率下，因此需要输出滤波器;而CSI驱动器中的母线电感可作为抑制共模EMI的低通滤波器，效果显著。

过电压会对系统造成显著的可靠性风险，由于电缆中产生的反射，绕组绝缘、轴承或功率器件本身的故障概率增加。宽带隙器件带来的高dV/dt瞬变和开关频率进一步增加了这种风险，并可能限制电缆的长度。CSI驱动器天生对这类过冲具有更强的免疫力，因此允许基于WBG的开关器件充分发挥其潜力。

短路承受能力是电机驱动器的一项重要要求。在CSI驱动器中，母线电感限制了短路条件下电流的上升率，为栅极驱动器和功率器件提供了更多的反应时间来关断驱动器，使其进入安全状态。这对于使用WBG器件尤为重要，因为它们的短路耐受时间远小于IGBT。

CSI逆变器可以工作在升压模式(下文将解释)，这在高速运行时能带来好处。

工作在高开关频率下的CSI逆变器可以使用薄膜或陶瓷滤波电容，与VSI系统中所需的电解电容相比，它们具有更好的高温性能。

CSI逆变器的一个主要缺点是无源元件体积较大，尤其是与不需要额外输出滤波器的VSI相比。电感作为储能直流母线设备的效率也低于电容，这会导致CSI驱动器的效率降低。当使用WBG器件时，情况会有所改变。WBG器件实现的高频化带来了无源元件的尺寸减小，这对于需要输出滤波器来抑制过电压的VSI驱动器来说，可能成为一个叠加优势。使用WBG器件时，VSI和CSI驱动器的效率可以相当 [1]。

如前所述，CSI逆变器需要反向电压阻断能力，这增加了对背对背开关或串联二极管的需求。近期出现的双向GaN开关为设计人员满足这一要求提供了更多选择。

当使用直流电源时，CSI前端需要一个直流链路电流调节器，例如斩波器。

有刷励磁同步电机

WFSM通常通过电刷和滑环将直流励磁电流施加到转子上，同时将三相交流电施加到定子上。定子产生的旋转磁场与运动的转子产生的直流励磁场相互作用，使电机以同步速度旋转。与永磁同步电机相比，WFSM具有一些优势：

随着制造永磁体所需的稀土材料供应链引发地缘政治担忧，WFSM提供了一种波动性较小的替代方案。

不存在高温下可能退磁的永磁体，使得WFSM具有更高的工作温度能力。

对于电动汽车等应用而言，低转矩、高电机转速区域在实际驾驶循环中占很大比重。PMSM的高效区间通常不涵盖此区域。在WFSM中，磁场磁通由转子直流电流控制。较低的转子电流可实现弱磁控制，从而在高速、中低转矩区域比PMSM具有更高的效率 [2]。

CSI与WFSM的集成

德克萨斯大学达拉斯分校的马修·加德纳教授最近提出了他的提案 [3]，即将CSI驱动器与WFSM集成。由于WFSM转子使用直流电流，其思路是利用转子的励磁线圈作为CSI的直流母线电感。图2(a)展示了这种方法的基本原理图。

图2

要使这种方法奏效，需要满足一些约束条件：

励磁电流必须至少等于定子相电流的峰值，并且能够从定子侧进行控制。为了减小电刷尺寸，通常情况并非如此，因此需要重新设计传统的WFSM，增加定子电枢的匝数并降低电流。

转子励磁电感 Lfield 需要满足：

Lfield >= Vph / (fsw * Δi)

其中 Vph 是相电压，fsw 是开关频率，Δi 是电流纹波。随着 fsw 的提高，所需的 Lfield 相应降低。

解决上述第一个约束条件的一种方法是使用磁场调制电机，其直流励磁绕组和交流电枢绕组都放置在定子上，转子采用凸极式结构。图2(b)所示的双定子设计是这种电机的一种变体。转子位于具有交流电枢绕组的外定子和具有直流励磁绕组的内定子之间。这种电机的一个优点是允许为励磁绕组提供较大的体积空间，因此可以保持较大的气隙半径，这反过来又有利于产生更大的转矩。

对一台外径为200 mm、具有5对励磁绕组和7对电枢绕组的电机进行了仿真，其额定励磁电流为33.1 A，电枢电流为23.2 Arms。6 mH的励磁自感用作直流母线电感，由于该调制电机中贡献了较大的漏感，因此该电感值相对较大，这有助于保持CSI中的低电流纹波。

使用ANSYS Maxwell工具提取了该电机的参数，并用于创建Simulink模型。这台6 kW电机使用200 V直流输入，通过斩波器馈入CSI。

采用25 kHz的开关频率和1 µF的滤波电容。在200 rad/s、30 Nm转矩下的相电流和直流电流波形如图3所示。励磁电流 (if) 的峰峰值纹波为平均值的3.9%，相电流 (ia, ib, ic) 的总谐波失真为1.1%。

图3

虽然弱磁(降低励磁电流)是WFSM在更高速度下实现恒定输出功率的一个关键优势，但在此提案中这种方法不太可行，因为降低励磁电流也会降低电枢电流，这将使转矩呈二次方下降。

针对此问题的一个潜在解决方案是利用CSI的升压模式。这可以通过降低调制指数来实现，即增加零状态所占的比例。

参考图2(a)，如果同时导通S1和S1'，电机相绕组将处于零状态，输入电流可用于为直流母线电感充电。当这些开关随后切换到驱动相电流的导通状态时(例如，通过导通S1和S2')，电机电压 Vmotor 可以升高到超过电源电压 Vsupply。这种升压功能可以确保在较低电流下实现更高速度的恒定功率输出，实际上创造了一种弱磁机制。该解决方案的一个缺点是开关、滤波电容和电机必须能够承受更高的升压电压。