普通千瓦級別電機驅動的開關頻率選在幾千赫茲到十幾千赫茲左右的原因是什麼?
不討論高速或特殊電機。現代電力電子設備在不犧牲性能的前提下有能力實現更高的開關頻率。開關損耗通過軟開關等技術也可以減小,而且還會帶來其他方面損耗的下降,並有效實現設備小型化。從價格上講,不需升級換開關器件(主要成本),現在國際工業界普遍採用的開關也能實現更高的開關頻率。希望得到從電機方面出發的解釋。
我認為歸根到底是成本問題。
目前常用的開關器件仍然是以Si材料為主的IGBT和MOSFET。
其中IGBT的電流容量要大些,耐壓也可以做的比MOSFET高,因此應用於較大功率場合,其缺點就是因為是雙極性器件,存在電導調製效應,關斷時會有明顯的拖尾電流。從而導致關斷損耗比較大,因此當應用於開關頻率較高的應用中時散熱會成為很大的問題。
MOSFET因為是單極性器件,相對的開關損耗可以做到比較高,同樣因為是單極性導電器件,其導通阻抗相對較高,為了限制導通的阻抗,一般基區厚度不會太厚,從而導致耐壓就不會太高。典型的功率MOSFET的耐壓在600~650V,極個別有800~900V的。因此在MOSFET中,耐壓和電流容量是一對矛盾體。典型的MOSFET單管最大電流容量也只有幾十安培。因此比較難於直接應用於中大功率。
以上當然說的都是傳統硬開關的條件下。那麼為什麼我說最終的原因是成本而不是技術呢?因為從技術的角度這個問題不是問題,是很好解決的。在我看來主要方法有以下幾種:
1. 採用軟開關電路。這個方案是可行的,軟開關的應用可以顯著提高開關頻率。帶來的問題是電路的複雜程度提高,也就是需要額外的元件,造成成本的提高以及控制複雜度的提高。但是是可以實現的,即使在大功率條件下。
2. 採用MOSFET並聯或者交錯並聯方式。前面提到了MOSFET的開關損耗較低,那麼為了擴大其應用的容量範圍,可以通過並聯MOSFET和交錯並聯MOSFET橋臂來實現。這個技術也已經很成熟,實現起來沒有問題。但是成本較高。
3. 採用SiC器件。新一代的SiC器件具有比Si器件更理想的開關性能,可以顯著降低開關損耗從而提高開關頻率。當然成本是非常可觀的。
此外至於DSP等數字電路的控制頻率我認為都不是問題,現在已經能控制到MHz開關頻率了,這些都能夠實現,DSP的開關頻率不夠可以擴展FPGA產生PWM驅動信號。
任何一個拓撲,對應一定的功率等級都有他的最優工作頻率。假如我工作在10k的開關頻率可以達到最高效率,那麼提高開關頻率在提高功率密度(小型化)的情況下就一定會犧牲效率,帶來的就是損耗(發熱)和開關管的應力提升(成本),所以還是看應用場合,有時候沒必要做那麼小。
題主想要電機的角度。來了!
我們設計電機本體時,如果基頻低,不用考慮高次諧波的影響,也不用細算渦流啊,發熱啊這些東西時,都是直接通正弦電流的。。
這就意味著,作為電機本體,我們當然希望輸入的是理想電流。沒有理想的,那就svpwm唄,頻率么,500k當然是極好的。
至於實際驅動器的輸出是什麼樣,嗯,做驅動的朋友們,加油!
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題主請在查閱開關器件頻率的同時,也查一下損耗參數。至於軟開關什麼的,注意成本。
電機的的響應速度和開關頻率相比很低,現在的開關頻率已經足夠用,再提高對性能提升效果不明顯,反而會增加控制器複雜度和發熱。所以業界沒有動力繼續提高頻率。還有電機不是電源,不管開關頻率怎麼變,它轉動頻率始終很低。峰值電流也和開關頻率關係不大, 提升開關頻率並不能縮小其體積。在電源上面提高頻率還是有點意義的。
首先,開關頻率不像你想像的能提很高,大致原因暫時想到以下幾個
1. 損耗,目前的器件不管是MOS還是IGBT 標稱做個幾十khz沒啥問題,但實際上,損耗還是挺大的,尤其在大功率下,軟開關技術用的很少,風扇散熱也是成本,能自然冷散熱幹嘛還加個風扇,現在小功率變頻器市場白熱化,省一點是一點
2. 控制頻率,這個和DSP的性能有關,再小的變頻器,氣發波控制方式和大功率的沒區別,都需要那麼多計算量去控制,開關頻率能隨便提高,控制頻率能隨便提的上去嗎?DSP這種晶元交貨周期很長,價格又貴。在滿足性能的前提下 能用便宜的就用便宜的
3. 開關頻率提高會帶來其他物料成本的降低,最主要的就是電感,呃。。。。除了電感還有其他的嗎?我們在開發3電平產品之前 仔細算了IGBT增加帶來的成本與電感降低的成本,結果發現完全沒優勢。。。
最後 ,你說從電機角度出發:西門子S120的變頻器算是當今性能比較好的變頻器了,大功率的,開關頻率才1.25khz,想一下,西門子用1.25k就足夠把電機控制那麼好了,我們幹嘛還把頻率搞那麼高??
對電源而言,開關頻率的上升,濾波器體積下降。
電機濾波器體積很小或者沒有濾波器。
變頻器的輸出是IGBT的spwm調製開關波形。沒有經過Lc低通。頻率高了。電機發熱厲害。
因為使用的基本是IGBT,而IGBT的開關頻率要求在20khz以下。開關頻率越高,發熱也越大。所以,一般開關頻率多用在4k,大功率的更低。
趨膚效應╮(╯▽╰)╭
現在變頻器的開關頻率已經足夠了,沒必要再大幅提高。不是高功率密度的開關電源沒必要太大的減小磁性元器件的體積
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