一种基于GaN功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统

本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及基于gan功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统。

背景技术：

1、永磁同步电机具有功率密度高、效率高、调速性能好等优势，被广泛应用于新能源发电、电动汽车、伺服电机等领域。

2、电力电子器件为能源技术发展目标所需要的关键材料装备支撑，要求到2030年我国的新型电力电子元器件等先进输变电装备达到国际先进水平。

3、长期以来，交流电机变频调速驱动系统主要采用硅基功率器件，经过近几十年的发展已经形成较为成熟的设计和控制理论，但受限于硅基功率器件特性，在应用过程中出现的高品质与低损耗、高开关速度与低emi、高安全可靠性与快速动态响应等瓶颈问题难以解决。

4、目前，交流电机调速系统已呈现出高频化、超高频化的趋势，并随着半导体产业的革新，基于氮化嫁(gallium nitride,gan)材料的功率器件具有优良的开关特性和高频工作性能。于是，采用gan功率器件的交流电机变频调速系统得到了越来越多的关注，gan基交流电机调速系统的开关频率也可以从几khz、几十khz提高到几百khz。其次，gan基功率器件与硅基功率器件相比，具有电场强度高、能带宽度大、电子速度快、熔点高等多方面优势，将其应用于交流电机变频调速驱动系统可通过提高开关频率有效减小电机的电磁转矩脉动并大幅提高其动态性能，可通过减小功率器件的损耗实现电机驱动效率提升，可通过紧凑和耐高温设计有效增加变频调速系统的功率密度。因此，选取具有节能优势的gan基交流电机调速系统作为研究对象，对其应用中面临的问题开展相关研究，具有重要的理论意义和现实价值。

5、然而，由于gan功率器件更加快速的开关动作与更高的开关频率，在电机侧会出现极高的du/dt，从而使电机轴电压与轴电流增加，进而导致了轴承与定子绕组绝缘损伤问题突出，影响电机使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于gan功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法及装置、系统，用于解决上述问题。

2、本发明按以下技术方案实现：

3、一方面，本发明提供了一种基于gan功率器件的正弦输出滤波器参数设计方法，该方法包括以下步骤：

4、根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感lf进行约束，并根据实际工况确定出滤波电感lf值；

5、在q轴下将永磁同步电机电流方程中的交叉耦合项作为扰动源，并将永磁同步电机将等效为电机反电动势以及电感和电阻的串联；

6、令电机反电动势为0，在复频域内分析得出阻尼支路电压uf与逆变器交流侧电压ui的比值及阻尼支路电流if；

7、根据阻尼支路电流if和滤波电阻rf值，求出阻尼支路上rf损耗的功率pr；

8、通过确定出滤波电感lf值和阻尼支路上rf损耗的功率pr得到电容cf1和cf2之间的关系，并根据电容cf1和cf2之间的关系、谐振频率以及电容体积因素确定出电容cf1、cf2值；

9、根据劳斯判据确定滤波电阻rf的取值。

10、在一种实施方式中，所述根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感lf进行约束，包括：

11、(1)逆变器交流侧电流的最大纹波小于逆变器交流侧峰值电流的20％；

12、(2)滤波电感基波压降不大于5％的永磁同步电机的额定电压；

13、所述滤波器电感lf为：

14、

15、

16、其中，udc为直流母线电压，δim为所允许的电感电流纹波最大幅值，fs为gan功率器件的开关频率，us为永磁同步电机额定电压，iinv为逆变器交流侧电流的有效值。

17、在一种实施方式中，所述在复频域内分析得出阻尼支路电压uf与逆变器交流侧电压ui的比值及阻尼支路电流if的表达式分别为：

18、

19、其中，lq为永磁同步电机q轴等效电感，rs为永磁同步电机q轴等效电阻，cf1为滤波电容，cf2滤波器阻尼支路的滤波电容，rf为滤波器滤波电阻。

20、在一种实施方式中，所述根据阻尼支路电流if和滤波电阻rf值，求出阻尼支路上rf损耗的功率pr，包括：

21、将s＝jω带入在复频域内分析得出阻尼支路电压uf与逆变器交流侧电压ui的比值及阻尼支路电流if的表达式中；

22、令cf1＝αcf2(α为电容系数，α>0)，求得阻尼支路电压uf和阻尼支路电流if的模值；

23、

24、根据阻尼支路电压uf和阻尼支路电流if的模值，得出阻尼支路上rf损耗的功率pr。

25、在一种实施方式中，所述阻尼支路上rf损耗的功率pr为：

26、

27、其中，rf为滤波电阻值，if为阻尼支路电流。

28、在一种实施方式中，所述谐振频率为介于10倍的永磁同步电机额定频率和1/10倍的gan开关频率之间。

29、在一种实施方式中，所述根据劳斯判据确定滤波电阻rf的取值，包括：

30、令电机的定子电阻rs＝0，得出系统在无阻尼情况下滤波电阻rf的取值；

31、在复频域下得到电机电流isq与输入电压ui之间的传递函数；

32、忽略系统积分系数，得出系统闭环传递函数；

33、忽略系统电流环pi控制器中的积分系数，得出简化后系统闭环传递函数；

34、通过系统闭环传递函数得到闭环传递函数下的劳斯表，并根据劳斯稳定性判据，得到滤波电阻rf的取值。

35、在一种实施方式中，所述通过系统闭环传递函数得到闭环传递函数下的劳斯表，并根据劳斯稳定性判据，得到滤波电阻rf的取值，具体计算过程如下：

36、

37、

38、其中，kp为系统电流环pi控制器中的比例系数，td为系统惯性环节等效时间常数。

39、第二方面，本发明提供了一种基于gan功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计装置，该装置包括：

40、约束模块，用于根据逆变器交流侧电流和滤波电感基波压降对滤波器电感lf进行约束；

41、滤波电感lf值计算模块，用于在约束条件下获取滤波电感的有效取值范围，并根据实际工况确定出滤波电感lf值；

42、电路转换模块，用于在q轴下将永磁同步电机电流方程中的交叉耦合项作为扰动源，并将永磁同步电机将等效为电机反电动势以及电感和电阻的串联；

43、比值及阻尼支路电流if计算模块，用于令电机反电动势为0，在复频域内分析得出阻尼支路电压uf与逆变器交流侧电压ui的比值及阻尼支路电流if；

44、阻尼支路上rf损耗的功率计算模块，用于根据阻尼支路电流if和滤波电阻rf值，求出阻尼支路上rf损耗的功率pr；

45、电容cf1、cf2值计算模块，用于通过确定出滤波电感lf值和阻尼支路上rf损耗的功率pr得到电容cf1和cf2之间的关系，并根据电容cf1和cf2之间的关系、谐振频率以及电容体积因素确定出电容cf1、cf2值；

46、滤波电阻rf计算模块，用于根据劳斯判据确定滤波电阻rf的取值。

47、第三方面，本发明提供了一种基于gan功率器件的永磁同步电机控制系统，该系统包括：

48、信号采集模块，用于采集电机侧定子三相电流；

49、电流变换模块，包括电机定子电流clark变换和电机定子电流park变换，用于根据电机侧定子三相电流、永磁同步电机转子电气位置角，得出两相静止坐标系下的电机定子电流和两相旋转坐标系下的电机定子电流；

50、编码器模块，用于根据两相静止坐标系下的电机定子电流，获取电机实际转速和永磁同步电机转子电气位置角；

51、转速控制模块，用于根据电机给定转速与电机实际转速的差值，产生两相旋转坐标系下永磁同步电机的给定定子电流；

52、电流控制模块，用于根据永磁同步电机的d、q轴给定定子电流与电机实际定子电流的差值，产生两相旋转坐标系下的电机定子电压；

53、电压变换模块，用于对电压进行反park变换，将两相旋转坐标系下的电机定子电压变换为两相静止坐标系下的电机定子电压；

54、脉冲生成模块，用于通过两相静止坐标系下的电机定子电压与脉宽调制技术相结合作用，产生脉冲驱动信号；

55、三相逆变器模块，用于根据脉冲驱动信号得出三相逆变器侧电流；

56、正弦输出滤波器模块，包括上述的基于gan功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计装置，通过上述的基于gan功率器件的永磁同步电机正弦输出滤波器参数设计装置对正弦输出滤波器的参数进行优化来滤除电流中存在的纹波和高次谐波，实现永磁同步电机的控制。

57、本发明有益效果：

58、本发明通过采用条件约束的方法来设计正弦输出滤波器参数，有效滤除电流中存在的高次谐波，并且在获得满意的电压变化率抑制效果的同时，又实现高性能的永磁同步电机控制。从而大大降低了轴承与定子绕组绝缘损伤问题，提高了电机使用寿命。