48 V兩相電動機驅動器是低成本微型機動或微型混合動力推進系統的合適選擇。1這是因為整個框架是高效且具有成本效益的。由于直流母線電壓低，因此對于建議的框架而言，工作電流相對較高。由于它是電流密集型系統，因此需要使用大容量電容器來減少直流母線電壓紋波。為了確保可靠的框架，必須研究功率轉換器的調制方案，直流鏈路電容和熱響應。

本文將討論兩相電壓源逆變器的三種不同方案。此外，它將比較和分析所討論拓撲的調制方案，調制比，電流應力和直流母線電壓紋波。

圖1：目標方案

圖1顯示了將在本文中討論的目標方案。

這些方案分類為：

• 三足式配置
• 兩腳配置，帶分離式直流母線電容器
• 四腳配置，無零線

由于中性點電流比相電流高1.414倍，因此需要在兩腳配置中使用大型DC鏈路電容器來穩定中性點電壓。另一方面，與兩腿配置相比，四腿配置具有更高的調制比，但是每增加一條腿都會增加系統成本和復雜性。在四足拓撲中使用的兩相機加工必須具有開放式繞組。三腳配置類似于常規的三相電壓源轉換器，但是在兩相配置中，第三腳的電流比其他兩個腳的電流高1.414倍。

為了優化整體效率，總成本和功率密度，硅開關和寬帶隙器件之間存在競爭。盡管諸如GaN HEMT的寬帶隙器件已在許多電力電子應用中廣泛采用，但高成本，高dV / dt和可靠性問題限制了它們在48 V電機驅動系統中的實現。2–5硅MOSFET模塊具有低成本，低雜散電感和良好的散熱能力的優勢，這對于低成本48V電機驅動系統具有吸引力。6-8比較這兩個基于硅MOSFET模塊的功率轉換器具有更多功能。本文將討論設計兩相功率轉換器時的硅MOSFET模塊。

兩相功率轉換器的操作

圖1顯示了本文涵蓋的兩相電壓源的不同拓撲。所有這些拓撲都有不同的調制方案，電流應力和DC鏈路電容器要求。重要的是要考慮這些拓撲的優缺點。

空間矢量脈沖調制通常集成在電機驅動系統中。所討論拓撲的調制圖如圖2所示。當參考電壓與多邊形相切時，可以達到最大相電壓幅值。

圖2：調制圖

在兩相系統中，中性點電流比相電流高1.414倍。這是因為與其他兩種拓撲相比，三分支拓撲中的電流應力較高，因為第三分支用作中性線電流的返回路徑。在兩腳和四腳配置中，峰值相電流是開關的最大電流。但是，由于有第三支腳，三支腳配置中的電流應力比峰值相電流高1.414倍。

為了分析直流母線電容器上的電壓紋波，假定在直流電壓源和直流母線電容器之間存在一個雜散電容器，如圖1所示。在大多數應用中，直流母線之間存在合理的雜散電感電壓源和直流母線電容器。由于這種雜散電感，直流電壓源的輸入電流是恒定的。直流母線的輸出電流包含高頻脈動分量，該分量由SVPWM方案的開關模式確定。DC-link電容器的目的是吸收高頻電流紋波，并且DC-link電容應足夠大以穩定DC-link電壓。9（對于常規的三相轉換器，在參考文獻9中已充分研究了電壓紋波與DC鏈路電容之間的關系。）對于固定電壓，DC鏈路電壓與相電流成正比，與開關頻率成反比直流母線電容。總體而言，在相電流較大時需要使用高價值的直流母線電容器，以最大程度地減小電壓紋波。

設計過程

本節討論了6.8 kW三足功率轉換器的系統設計。

柵極驅動器設計
自舉電路由于其簡單性和低成本而被用于基于MOSFET的功率轉換器的柵極驅動器中。圖5顯示了自舉柵極驅動器電路。在該電路中，電容器上的電壓受功率半導體上電壓降的影響，繼而使導通電壓不穩定。此外，該電路不能提供安全關閉功率半導體所需的安全特性。上述問題使基于自舉電路的柵極驅動器的可靠性令人懷疑。可靠的柵極驅動器在電流密集型系統中至關重要。為此，未穩壓的推挽轉換器用于產生5V浮動電壓。為了開啟硅MOSFET，內置了一個升壓轉換器以將浮動電壓提升至15V。

圖3：隔離式柵極驅動器

功率級設計
兩相三足轉換器的功率級中包含直流母線電容器和功率半導體。功率轉換器設計選擇了硅MOSFET模塊FM 400TU-07A。10選擇的開關頻率為25 kHz，因此損耗不會太高。直流母線電容應足夠大，以抑制直流母線上的電壓紋波。

控制級設計
轉換器的控制部分包括微控制器，傳感器和信號調節電路。具有成本效益的微控制器TMS320F280049C用于48 V兩相轉換器，因為它具有成本效益，并在100 MHz的CPU頻率下運行。霍爾電流傳感器用于測量相電流。但是在大電流測量的情況下，霍爾效應電流傳感器的磁芯占用了太多空間，因此導致尺寸增大。為了減小尺寸，實現了帶有隔離放大器的并聯電阻，用于測量相電流，如圖4所示。

圖4：相電流的測量

結論

本文詳細討論了48V兩相電源轉換器的設計。在三種不同的拓撲結構中比較了由直流母線引起的電壓紋波。在分析了三種不同的拓撲之后，選擇了三足式配置以詳細說明設計過程。設計過程詳細描述了柵極驅動器，電源和控制級的設計。經過對所提出設計的實驗，波形和熱分布圖驗證了所提出系統的設計和可靠性。

參考文獻
1用于48V汽車應用的6.8kW兩相轉換器的設計。陳天宇，卡洛斯·卡塞多·納爾維斯，陳鵬遠，阿米爾·帕薩普爾，巴巴克·法米米（Babak Fahimi）電氣和計算機工程，德克薩斯大學達拉斯分校，美國德克薩斯州理查森，美國

2?K. Shenai。“寬帶隙（WBG）半導體功率開關器件的未來前景。”?IEEE Transactions on Electron Devices 62，No.2（2014）：248–257。

3?E. A. Jones，Z。Zhang和F. Wang。“增強型GaN FET的dV / dt瞬態分析。”?2017 IEEE應用功率電子會議暨展覽會（APEC），第2692至2699頁。IEEE，2017年。

4陸俊杰和陳大同。“在10kW–100kW系統中并聯GaN E-HEMT。”?2017 IEEE應用功率電子會議暨展覽會（APEC），第3,049–3,056頁。IEEE，2017年。

5?M. Tapajna，O。Hilt，E。Bahat-Treidel，J。Wurfl和J. Kuzmik。“在正向偏置應力下，常關型p型GaN蓋/ AlGaN / GaN HEMT中的柵極可靠性研究。”?IEEE電子設備快報37，第4號（2016）：385–388。

6?O. Muhlfeld和FW Fuchs。“借助PEEC仿真，可以優化三相MOSFET電源模塊中的雜散電感。”?2009年，第13屆歐洲電力電子與應用會議，第1至7頁。IEEE，2009年。

7?B. Yang，J。Wang，S。Xu，J。Korec和ZJ Shen。“先進的低壓功率MOSFET技術，用于封裝應用中的電源。”?IEEE Transactions on Power Electronics 28，第9號（2012）：4,202–4,215。

8?Y. C. Gerstenmaier，A。Castellazzi和GKM Wachutka。“具有新型瞬態熱模型和時變邊界條件的多芯片模塊的電熱仿真。”?IEEE Transactions on Power Electronics 21，第1號（2006）：45-5

9?T. Chen，S。Li和B. Fahimi。“沒有電解電容器的電壓源逆變器中的直流鏈路電壓紋波分析。”?IECON 2018年第44屆IEEE工業電子學會年度會議，第1,041–1,048頁。IEEE，2018年10三菱電機。“ FM400TU-07A大功率開關使用絕緣封裝”，FM200TU-07A數據表，2006年5月。

編輯：hfy