宽禁带半导体电机驱动控制技术

本书主要介绍基于宽禁带功率器件的电机驱动控制技术的近期新研究成果。首先，介绍两种典型宽禁带功率器件，即碳化硅和氮化镓功率器件的内部结构及其外部特性；接着，分析宽禁带功率器件门极驱动电路的特点和要求，介绍了串扰抑制、过流保护及高温门极驱动电路；然后，从器件特性出发分析电机驱动器输出电压非线性，进而分析基于宽禁带功率器件的驱动器对电机损耗、动态性能及轴电流的影响；最后，介绍一种基于线性功率放大器和宽禁带功率器件结合的电机驱动新拓扑，以及一种基于宽禁带功率器件的增强型无传感器控制技术。

前言
第1章 引言 1
1.1 电机驱动控制技术的发展背景 1
1.2 电机驱动控制系统的组成、分类及特点 5
1.2.1 电机驱动控制系统组成 5
1.2.2 典型电机及其驱动器拓扑 6
1.2.3 永磁同步电机控制技术发展概况 9
1.3 宽禁带功率器件与高性能电机驱动控制系统 11
1.3.1 传统功率半导体器件 11
1.3.2 宽禁带功率器件的特点及分类 15
1.3.3 宽禁带功率器件产品的发展 16
1.3.4 宽禁带功率器件对电机驱动控制系统性能的提升 18
参考文献 20
第2章 宽禁带功率器件 23
2.1 碳化硅功率器件 23
2.1.1 碳化硅材料的物理特性 23
2.1.2 SiC 功率器件的分类 24
2.1.3 功率MOSFET 内部结构与工作原理 26
2.1.4 SiC MOSFET 的基本特性 27
2.2 氮化镓功率器件 37
2.2.1 氮化镓材料的物理特性 37
2.2.2 GaN 功率器件的分类 38
2.2.3 GaN HEMT 的结构与工作原理 40
2.2.4 GaN HEMT 的基本特性 41
2.3 本章小结 48
参考文献 49
第3章 宽禁带功率器件门极驱动电路 51
3.1 宽禁带功率器件门极驱动电路驱动特点与要求 51
3.1.1 GaN HEMT 栅极驱动电路 51
3.1.2 SiC MOSFET 门极驱动电路 54
3.2 宽禁带功率器件门极驱动电路桥臂串扰问题 55
3.2.1 宽禁带功率器件桥臂串扰问题原理 56
3.2.2 寄生电感对串扰影响分析 57
3.2.3 抑制串扰方法 58
3.3 宽禁带功率器件保护电路设计 61
3.3.1 过压保护 61
3.3.2 过流保护 62
3.4 高温SiC MOSFET 门极驱动电路 69
3.4.1 驱动电路元器件的选择 70
3.4.2 主电路与控制电路的隔离方式选择 71
3.4.3 高温SiC MOSFET 驱动保护电路设计实例 72
3.5 本章小结 78
参考文献 78
第4章 基于宽禁带功率器件的逆变器输出电压非线性分析 80
4.1 宽禁带功率器件在PMSM 逆变器中的特性 80
4.2 逆变器输出电压非线性分析 86
4.2.1 管压降影响机理 87
4.2.2 死区时间影响机理 88
4.2.3 开关延迟时间影响机理 90
4.2.4 输出电容影响机理 92
4.3 电压震荡产生机理 94
4.4 本章小结 99
参考文献 99
第5章 宽禁带功率器件对电机性能的影响 101
5.1 SiC MOSFET 对电机损耗的影响 101
5.1.1 铜损耗 102
5.1.2 铁损耗 108
5.2 SiC MOSEFET 对电机动态性能的影响 115
5.2.1 加入器件特性的PMSM 驱动系统传递函数建模 115
5.2.2 PMSM 动态性能分析 117
5.2.3 实验结果与结论 123
5.3 SiC MOSFET 驱动器对电机轴电流的影响 128
5.3.1 轴电流产生的原理及分类 128
5.3.2 SiC 功率器件对共模电压影响 129
5.3.3 共模电压对轴电流的影响 133
5.4 本章小结 136
参考文献 137
第6章 基于宽禁带功率器件的电机驱动新拓扑 139
6.1 线性功率放大器简介 139
6.1.1 功率放大器的分类 139
6.1.2 线性功放的损耗分析 140
6.2 基于宽禁带器件的实时可调的跟随供电系统 144
6.2.1 供电系统的新拓扑 144
6.2.2 实时可调的跟随供电系统工作原理 147
6.2.3 实时可调供电系统的损耗模型 149
6.2.4 实验结果和结论 154
6.3 基于线性功放的PMSM 驱动控制器的电路拓扑设计 158
6.3.1 基于线性功放的PMSM 驱动控制电路工作原理 158
6.3.2 实验结果和结论 160
6.4 本章小结 166
参考文献 166
第7章 基于宽禁带功率器件的增强型无传感器控制技术 169
7.1 常规无传感器控制技术 169
7.1.1 中高速段无传感器控制方法 169
7.1.2 零速和低速段无传感器控制方法 171
7.1.3 复合控制方法 173
7.2 基于宽禁带功率器件的PMSM 零速及低速段无传感器控制 174
7.2.1 旋转高频注入法 174
7.2.2 电流的提取 175
7.2.3 无传感器控制系统结构框图及仿真结果 181
7.3 基于宽禁带功率器件的PMSM 中高速段无传感器控制 183
7.3.1 宽禁带功率器件对SMO 抖振问题的改善 183
7.3.2 改进的SMO 仿真结果 183
7.4 FPGA 在无传感器控制系统中的作用 185
7.4.1 FPGA 减小估计位置误差原理 185
7.4.2 FPGA 速度优化方法 186
7.4.3 FPGA 总体设计的并行实现 187
7.4.4 FPGA 各部分子程序优化 189
7.5 无传感器控制设计实例 193
7.5.1 低速段无传感器控制实验 193
7.5.2 中高速段无传感器控制实验 196
7.6 本章小结 198
参考文献 199