胡 亮，付翔宇，呂永燦，馮 凌，胡 冬

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

碳化硅（SiC）器件作為新一代功率器件，具有比硅基器件[1-2]更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的損耗、更高的工作溫度和功率密度，能夠有效提高牽引系統(tǒng)效率、減小變流器的體積并減輕重量，符合軌道交通列車(chē)的綠色化、輕量化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)，有助于推動(dòng)軌道交通牽引系統(tǒng)向高效、低碳、可靠、智能方向發(fā)展。

當(dāng)前，SiC器件已經(jīng)逐步開(kāi)始在軌道交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用[3-5]，然而關(guān)于SiC牽引逆變器的PWM調(diào)制策略的文獻(xiàn)很少。文獻(xiàn)[3]介紹了SiC牽引逆變器在輕軌車(chē)輛中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)介紹了一種用于新干線(xiàn)高速列車(chē)的新型SiC牽引系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]簡(jiǎn)要描述了一種適用于SiC牽引系統(tǒng)的PWM調(diào)制方法，并且分析了所提方法與低頻IGBT型牽引逆變器的PWM調(diào)制方法在電機(jī)損耗指標(biāo)方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但缺乏針對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)多工況全速域運(yùn)行的研究。

本文在文獻(xiàn)[5]的研究基礎(chǔ)上，從PWM調(diào)制模式優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)控制算法適配等多個(gè)維度進(jìn)行高頻牽引系統(tǒng)PWM調(diào)制方法的研究，提出了一種適用于SiC牽引逆變器的高頻-低頻混合型多模式PWM調(diào)制方法。通過(guò)進(jìn)行電機(jī)電流諧波、電機(jī)損耗及電機(jī)運(yùn)行溫升和噪聲等方面實(shí)驗(yàn)，對(duì)所提出的PWM調(diào)制方法與傳統(tǒng)低頻PWM調(diào)制方法進(jìn)行比較研究。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文所提PWM控制方法可顯著改善電機(jī)全速域牽引運(yùn)行性能。

1 SiC逆變器PWM調(diào)制方法

SiC牽引逆變器-電機(jī)系統(tǒng)主要由中間支撐回路、三相逆變器模塊及牽引電機(jī)3部分構(gòu)成（圖1）。其中，逆變器模塊主要采用由SiC-MOSFET和SiC-SBD組成的SiC基器件，其較Si基IGBT器件具有開(kāi)關(guān)速度更快、損耗更小的特點(diǎn)[6]。文獻(xiàn)[5]對(duì)比分析研究了在電流為750A工況下，基于SiC器件的逆變器額定開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)2 kHz，而基于Si基IGBT的逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為500 Hz，此時(shí)基于SiC器件的逆變器損耗仍顯著小于Si基器件逆變器的。SiC器件的優(yōu)異特性使得其在大功率應(yīng)用領(lǐng)域，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，基于SiC牽引逆變器的調(diào)制方法也面臨變革和挑戰(zhàn)。

圖1 全SiC牽引逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit of full SiC traction inverter

1.1 傳統(tǒng)PWM調(diào)制方法

對(duì)于傳統(tǒng)IGBT型牽引逆變器，受IGBT器件開(kāi)關(guān)損耗及散熱條件的限制，功率器件的最大開(kāi)關(guān)頻率通常不超過(guò)500 Hz[7]，因此其PWM調(diào)制一般采用“低頻異步調(diào)制+同步調(diào)制+方波調(diào)制”的多模式PWM組合方式，本文稱(chēng)之為傳統(tǒng)低開(kāi)關(guān)頻率PWM調(diào)制方法（圖2）。

圖2 傳統(tǒng)IGBT牽引逆變器的低開(kāi)關(guān)頻率PWM調(diào)制方法Fig.2 Low switching frequency PWM control method of traditional IGBT traction inverter

1.2 適用于SiC逆變器的PWM調(diào)制方法

要實(shí)現(xiàn)SiC牽引逆變器-電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化匹配，提升牽引系統(tǒng)的效率、改善溫升性能和降低噪聲，一般可從調(diào)制方式、逆變器額定開(kāi)關(guān)頻率和牽引電機(jī)閉環(huán)控制策略3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于上述原則，針對(duì)SiC高頻牽引逆變器應(yīng)用，本文從PWM調(diào)制模式設(shè)計(jì)、電機(jī)控制算法適配等維度進(jìn)行高頻SiC牽引系統(tǒng)PWM控制方法研究，提出了一種適用于SiC牽引逆變器的高頻-低頻混合型多模式PWM調(diào)制方法，如圖3所示。

圖3 適用于SiC牽引逆變器的新型多模式PWM調(diào)制方法Fig.3 Multi-mode PWM control method for SiC traction inverter

該方法根據(jù)電機(jī)運(yùn)行3個(gè)速度區(qū)域進(jìn)行特定設(shè)計(jì)：

（1）低于30%額定轉(zhuǎn)速的中低速區(qū)域。采用高頻異步調(diào)制模式，充分利用SiC高頻特性實(shí)現(xiàn)高載波比控制并降低電流諧波。

（2）30%額定轉(zhuǎn)速～50%額定轉(zhuǎn)速的中高速銜接區(qū)域。采用諧波電流最小PWM（current harmonic minimum pulse width modulation，CHMPWM）優(yōu)化同步調(diào)制，以抑制電流諧波分量。

（3）50%額定轉(zhuǎn)速以上的高速區(qū)域。采用優(yōu)化3脈波調(diào)制模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)方波調(diào)制模式，以抑制低次電流諧波，從而獲得更好的電流品質(zhì)。

1.2.1 調(diào)制策略的優(yōu)化選擇

基于前文所述，在牽引電機(jī)中低速運(yùn)行區(qū)域，本文提出了采用高頻空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法，其較傳統(tǒng)的正弦波調(diào)制（SPWM）具有更好的諧波抑制性能、更高的電壓利用率，已被廣泛運(yùn)用到電傳動(dòng)控制領(lǐng)域。針對(duì)高速區(qū)域及中高速銜接區(qū)域，為充分抑制諧波和降低電機(jī)損耗，本文提出采用電流諧波優(yōu)化CHMPWM同步調(diào)制方法[8]，圖4示出優(yōu)化脈寬調(diào)制典型的相電壓波形。

圖4 優(yōu)化脈寬調(diào)制相電壓波形Fig.4 Optimizing PWM phase voltage waveform

在Udc、ωe及電機(jī)參數(shù)確定時(shí)，電流諧波優(yōu)化PWM的優(yōu)化問(wèn)題求解等效方程如式（1）[8]所示。

圖5示出CHMPWM-5脈波調(diào)制、CHMPWM-3脈波調(diào)制及典型同步BSS-5（SVPWM-5）脈波[8]調(diào)制模式下的諧波優(yōu)化系數(shù)對(duì)比情況。

圖5 不同調(diào)制方式諧波抑制能力對(duì)比Fig.5 Comparison of harmonic suppression ability of different modulation methods

由圖5可知，采用CHMPWM-5脈波調(diào)制替代傳統(tǒng)SVPWM-5脈波調(diào)制，可以達(dá)到更佳的諧波抑制效果。對(duì)于傳統(tǒng)IGBT型牽引逆變器-電機(jī)系統(tǒng)，牽引電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，高速區(qū)域電壓一般選擇方波調(diào)制，而傳統(tǒng)方波調(diào)制方法存在5次和7次等低次諧波含量較大的問(wèn)題[9]。為進(jìn)一步提升高速區(qū)域的諧波抑制性能、實(shí)現(xiàn)牽引逆變器-電機(jī)間更好的性能優(yōu)化匹配，本文提出采用電流諧波最小的優(yōu)化3脈波調(diào)制方式替代傳統(tǒng)的低頻牽引逆變器的方波調(diào)制運(yùn)行模式，以獲得更佳的諧波抑制效果。由圖6（a）可知，采用優(yōu)化后的3脈波調(diào)制方式的電機(jī)總諧波畸變率（THD）明顯低于方波調(diào)制的。圖6（b）對(duì)比分析了優(yōu)化3脈波調(diào)制和方波調(diào)制后的低次諧波含量分布情況，可以看出，采用優(yōu)化3脈波調(diào)制方式后，5次和7次諧波得到了明顯的抑制。

圖6 優(yōu)化3脈波調(diào)制和方波調(diào)制下電機(jī)電流諧波性能對(duì)比Fig.6 Comparison of stator current harmonic performances under optimized 3-pulse and square wave voltage

1.2.2 逆變器開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮

雖然SiC器件最大開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)2 kHz以上，但SiC牽引逆變器的額定開(kāi)關(guān)頻率并非越高越好。文獻(xiàn)[6]研究表明，電機(jī)損耗隨著頻率增加而減小，但逆變器損耗隨頻率提升而增加，更大程度地提高開(kāi)關(guān)頻率有可能會(huì)導(dǎo)致逆變器損耗大幅增加，抵消了提高開(kāi)關(guān)頻率所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，反而無(wú)助于系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。另外，更大程度的頻率提高造成的額外附加損耗也會(huì)帶來(lái)逆變器散熱器和模塊的尺寸及成本等多方面增加。因此，SiC的額定開(kāi)關(guān)頻率的選取涉及逆變器設(shè)計(jì)、控制模式及系統(tǒng)性能等多方面的綜合優(yōu)化匹配。

本文基于牽引系統(tǒng)損耗優(yōu)化的頻率設(shè)計(jì)分析方法（圖7），以國(guó)內(nèi)典型城軌牽引電機(jī)（其中間直流電壓為1 500 V）為例，通過(guò)理論計(jì)算，研究了在不同開(kāi)關(guān)頻率下電機(jī)損耗、逆變器損耗及系統(tǒng)總損耗的變化趨勢(shì)，如圖8所示。

圖7 基于系統(tǒng)損耗優(yōu)化的逆變器開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)分析方法Fig.7 Design and analysis methods of inverter switching frequency based on traction system loss optimization

圖8 頻率提高對(duì)電機(jī)、逆變器及系統(tǒng)損耗的影響Fig.8 Influences of frequency raising on the loss of motor,inverter and system

由圖8所示數(shù)據(jù)可知，開(kāi)關(guān)頻率由500 Hz提升至2 kHz，電機(jī)損耗降低了14.9%，逆變器損耗增大了63.9%，系統(tǒng)損耗降低了10.2%，開(kāi)關(guān)頻率的提高對(duì)系統(tǒng)損耗的降低效果顯著；但隨著開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步提高（2 kHz→3 kHz），其對(duì)電機(jī)損耗的抑制效果相對(duì)變緩，而逆變器損耗則仍增加40%以上，開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz時(shí)，逆變器-電機(jī)系統(tǒng)總損耗較2 kHz時(shí)的還增加了1.1%。因此，基于系統(tǒng)損耗最優(yōu)準(zhǔn)則，開(kāi)關(guān)頻率為2 kHz左右時(shí)，城軌牽引電機(jī)損耗與逆變器損耗可處于較為平衡的狀態(tài)。以2 kHz作為最優(yōu)開(kāi)關(guān)頻率的搜索起點(diǎn)，再通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定最佳的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率。

本文基于上述系統(tǒng)損耗分析結(jié)果以及文獻(xiàn)[5]實(shí)驗(yàn)研究成果，將擬開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的SiC牽引逆變器的額定開(kāi)關(guān)頻率定在1.5 kHz～2.5 kHz范圍內(nèi)。

1.2.3 電機(jī)控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)所提出的PWM調(diào)制方法，本文基于定子磁場(chǎng)定向理論，提出了一種適用于SiC牽引逆變器的牽引電機(jī)多模態(tài)定子磁鏈軌跡閉環(huán)控制策略，如圖9所示。圖中，ωs為電機(jī)基波頻率，us*為指令電壓，Udc為采樣中間直流回路電壓。在高頻異步調(diào)制模式下，電機(jī)采用圓形定子磁鏈控制[10]；在同步PWM調(diào)制模式下，電機(jī)采用多邊形定子磁鏈軌跡跟蹤控制（stator flux trajectory tracking control，SFTTC）[11]。

圖9 適用于新型PWM控制方法的電機(jī)閉環(huán)控制原理Fig.9 Motor closed-loop control principle suitable for new PWM control method

在不同模式切換時(shí)，通過(guò)對(duì)定子磁鏈進(jìn)行特殊處理[12-13]，實(shí)現(xiàn)了高頻PWM與低頻優(yōu)化PWM模式切換過(guò)程中電機(jī)電流的平滑過(guò)渡處理。如圖10所示，轉(zhuǎn)速為1 690 r/min時(shí)，將高頻異步調(diào)制模式切換為同步CHMPWM-5脈沖模式；隨著速度的提升，當(dāng)電機(jī)電壓逼近恒壓點(diǎn)時(shí)，將CHMPWM-5模式切換為CHMPWM-3最佳脈沖模式，整個(gè)過(guò)程中電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩過(guò)渡平穩(wěn)。

圖10 基于定子磁鏈軌跡閉環(huán)控制的不同PWM調(diào)制方式的平滑切換Fig.10 Smooth switching of different PWM modes based on stator flux trajectory closed-loop control

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為充分對(duì)比分析所提出的高頻-低頻混合多模式PWM調(diào)制和傳統(tǒng)低頻PWM調(diào)制方法的系統(tǒng)性能，使用城市軌道交通（簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”）車(chē)輛控制平臺(tái)[14]從電機(jī)電流諧波抑制、電機(jī)溫升抑制、電機(jī)噪聲抑制、電機(jī)效率提升及系統(tǒng)效率提升等方面開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。被試牽引電機(jī)為190 kW城軌車(chē)輛用牽引電機(jī)，其參數(shù)如表1所示；1 000 kVA SiC牽引逆變器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 被試牽引電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of the tested traction motor

表2 實(shí)驗(yàn)用SiC牽引逆變器Tab.2 SiC traction inverter for test

2.1 電機(jī)電流諧波性能

圖11示出不同速度點(diǎn)下實(shí)測(cè)電機(jī)電流總諧波畸變率THD。

圖11 全速域電機(jī)電流諧波性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Comparison results of stator current harmonic performance in full speed range

從圖11可知，與傳統(tǒng)的PWM調(diào)制相比，本文所提多模式PWM調(diào)制方法在中低速范圍內(nèi)，頻率的提高會(huì)帶來(lái)電機(jī)電流THD顯著降低，SiC逆變器高頻抑制諧波優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，更有利于降低電機(jī)損耗；而在高速范圍內(nèi)，使用CHMPWM-3脈波調(diào)制代替方波調(diào)制，可在一定程度上有效降低電流諧波含量。

2.2 電機(jī)溫升性能

在中低速范圍內(nèi)，由SiC牽引逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)定子繞組溫升最終穩(wěn)定值比硅基牽引逆變器（500 Hz）驅(qū)動(dòng)的低31 K，如圖12（a）所示。而在高速范圍內(nèi)，由于采用了所提出的優(yōu)化3脈波調(diào)制方案代替方波調(diào)制，可以較好地降低電機(jī)損耗，電機(jī)定子繞組溫升也降低了8 K，如圖12（b）所示。

圖12 不同速度區(qū)域下典型穩(wěn)態(tài)定子溫升實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.12 Comparison results of typical steady-state stator temperature rise-test in different speed regions

2.3 電機(jī)噪聲性能

電機(jī)加速噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖13所示，可以看出：

圖13 牽引電機(jī)牽引加速噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.13 Comparison results of traction acceleration noise test of traction motor

（1）在中低速區(qū)，由于SiC逆變器的開(kāi)關(guān)頻率提升較IGBT逆變器的明顯，電機(jī)運(yùn)行噪聲抑制效果顯著（最大噪聲抑制可達(dá)10 dB），中低速采取高頻控制有利于提升電機(jī)噪聲抑制效果，改善電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)。

（2）在高速區(qū)，兩種PWM控制模式下電機(jī)噪聲幅值表現(xiàn)趨勢(shì)基本一致。這是因?yàn)殡姍C(jī)噪聲主要取決于電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械和風(fēng)扇帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲，電磁噪聲已非主導(dǎo)因素，氣動(dòng)噪聲主導(dǎo)了不同PWM調(diào)制方法的差異性。

2.4 牽引電機(jī)及系統(tǒng)效率

如圖14所示，本文提出的適用于SiC牽引逆變器的高頻-低頻混合型多模式PWM控制方法可有效提升電機(jī)和牽引系統(tǒng)效率：

圖14 不同轉(zhuǎn)速下?tīng)恳姍C(jī)效率及系統(tǒng)效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test results comparison between traction motor and system efficiency at different speeds

（1）在中低速區(qū)內(nèi)，電機(jī)效率較傳統(tǒng)低頻IGBT型牽引逆變器（500 Hz）的最大提升可達(dá)3%～4%，系統(tǒng)效率提升達(dá)1%～2%；

（2）在高速區(qū)內(nèi)，3脈波調(diào)制較傳統(tǒng)方波調(diào)制在電機(jī)效率優(yōu)化方面稍顯優(yōu)勢(shì)，這得益于優(yōu)化3脈波調(diào)制方式更優(yōu)異的低次諧波抑制能力，但系統(tǒng)效率方面，方波調(diào)制和3脈波調(diào)制方式的系統(tǒng)效率基本相當(dāng)。

3 結(jié)語(yǔ)

為探索高效率SiC牽引逆變系統(tǒng)高頻調(diào)制方法，本文從PWM控制模式設(shè)計(jì)、電機(jī)控制算法適配等方面進(jìn)行高頻PWM調(diào)制技術(shù)研究，提出了一種適用于SiC牽引逆變器的高頻-低頻混合型PWM調(diào)制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的PWM調(diào)制方法與傳統(tǒng)的PWM調(diào)制方法進(jìn)行研究，并從電機(jī)的電流諧波、溫升、運(yùn)行噪聲抑制、效率和系統(tǒng)效率等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PWM調(diào)制方式相比，采用新的PWM調(diào)制方法能顯著提高電機(jī)及系統(tǒng)的運(yùn)行性能?？紤]到牽引系統(tǒng)面臨的工況復(fù)雜，后續(xù)將搭建考慮PWM特性的全速域逆變器和電機(jī)損耗模型并對(duì)所提算法進(jìn)行線(xiàn)路全工況驗(yàn)證。