基于GaN功率器件的高频伺服驱动系统设计

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1、硕士学位论文基于GaN功率器件的高频伺服驱动系统设计DESIGNOFHIGHFREQUENCYSERVODRIVESYSTEMBASEDONGANPOWERDEVICES王品贺哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM351学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文基于GaN功率器件的高频伺服驱动系统设计硕士研究生：王品贺导师：徐殿国教授申请学位：工程硕士学科：电气工程所在单位：电气工程系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM351U.D.C:621.3Disse

2、rtationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFHIGHFREQUENCYSERVODRIVESYSTEMBASEDONGANPOWERDEVICESCandidate：PinheWangSupervisor：Prof.DianguoXuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2

3、018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要电机驱动系统广泛应用在装备制造、航空航天、自动化等领域，沿着智能化、高功率密度、高可靠性的发展趋势快速发展。而作为电机驱动系统中的重要组成部分，当前的功率变换系统基本采用基于Si材料的功率器件，开关频率低，很难兼顾高功率密度和高效率等需求。随着半导体技术的不断发展，基于氮化镓(GaN)材料的功率器件具有优良的开关特性和高频工作性能。若将GaN功率器件应用于电机驱动领域，将能够显著降低系统体积、降低

4、损耗、提升系统的功率密度，并降低电机驱动系统工作时的音频噪声。因此，基于GaN功率器件的高频电机驱动系统研究，对电机控制性能的提升具有重要意义。本文研制了基于GaN功率器件的伺服驱动器，并对驱动器关键的控制算法进行了研究。首先，分析了驱动电路及功率电路中寄生参数对GaN功率器件驱动性能的影响，给出了寄生参数的优化顺序及优化方法，并设计了基于GaN功率器件伺服驱动器的硬件电路，完成了伺服驱动器样机的研制。其次，在逆变器输出侧与电机输入侧之间串入LC输出滤波器，以减小开关管高速开关产生的dv/dt和di/dt并实现电机的正弦波驱动。与此同时，本文研究了

5、由LC输出滤波器带来的谐振问题，分析了电流环延迟对系统稳定性的影响。基于此，提出用无阻尼方法实现电气谐振抑制，给出了电流调节器PI参数的整定方法，并通过仿真与实验验证了无阻尼算法的有效性。之后，对比了不同开关频率下、有无LC输出滤波器的相电流EMI。实验结果表明当开关频率与谐振频率的比值在合适范围内时，LC输出滤波器的引入将能够抑制驱动器的开关噪声，降低系统的EMI，实现电机的正弦波驱动。最后，完成了基于FPGA的硬件电流环设计。用VerilogHDL语言编写了电流环中各模块的控制算法，并通过仿真与实验验证了电流环控制算法的正确性。此外，通过电流环

6、的带宽测试可知，在100kHz开关频率下，电流环带宽能够提升到6kHz以上。由此可知，与传统的伺服驱动器相比，基于GaN功率器件的高频伺服驱动器的控制性能得到显著提升。关键词：氮化镓；伺服驱动器设计；输出滤波器；无阻尼谐振抑制；硬件电流环-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThemotordrivesystemiswidelyusedinequipmentmanufacturing,aerospace,automationandotherfields,alongwiththerapiddevelopmentofintelligent

7、,highpowerdensity,highreliabilitydevelopmenttrends.Asanimportantcomponentofthemotordrivesystem,thecurrentpowerconversionsystembasicallyusespowerdevicesbasedonSimaterials,andtheswitchingfrequencyislow,soitisdifficulttobalancetheneedsofhighpowerdensityandhighefficiency.Withtheco

8、ntinuousdevelopmentofsemiconductortechnology,powerdevicesbase