硅与宽带隙（WBG）半导体的进步彻底改变了功率转换器的设计，使逆变器能够在高达数百千赫兹甚至兆赫兹的频率下运行，同时显著降低了动态损耗。 对于电动机而言，较高的开关频率能够提高效率，减少扭矩脉动，并改善控制响应，从而提升整体性能。

然而，为了准确评估开关频率对电机驱动系统的影响，我们必须考虑逆变器与电机之间复杂的相互作用。因此，本文将深入研究在不同运行条件下，两种电机驱动系统的性能比较：一种是带定子芯的电机，另一种是不带定子芯的电机。通过对这两种系统的比较分析，旨在提供有关它们在各种工作范围内的性能差异的实用见解。

电动发电机测试平台

为了探索高开关频率在电机驱动器中的优势，我们构建了两种不同的电动发电机平台。第一平台采用了常见的电钻电机，第二平台则使用无芯电机。

这两种平台（见图 1）均由基于英飞凌（Infineon）100V、4mΩ OptiMOS硅技术的三相逆变器驱动。采用了两个XMC 4400驱动卡，通过传感磁场定向控制（FOC）模式，分别在速度控制和扭矩控制模式下控制电机和发电机的逆变器。该配置使我们能够在不同功率水平下评估电机驱动器的性能。

自动测试序列

在以下四个参数变化的条件下，我们采用自动化测试程序进行全面分析：

• 电机转速

• 扭矩

• 逆变器开关频率

• 死区时间

图 2展示了在20 kHz和100 kHz两种开关频率以及25 ns和100 ns两种死区时间条件下，带定子铁芯的电机所生成的波形，并保持2,000 kRPM的恒定电机速度。每个扭矩曲线步骤后都包括一个休息期，以保持一致的电机绕组温度，减轻温度变化对测试结果的影响。

测量结果

逆变器效率

测试结果显示了两个平台的逆变器效率曲线。空心杯电机系统相较于带定子铁芯的电机系统表现出更高的有效功率因数，因而提升了逆变器效率。在大约20W的高负载条件下，无芯系统在2 kRPM和6 kRPM电机速度下分别能够产生比带定子芯系统高出2.3倍至2.6倍的逆变器输出功率。

电机效率

较高的开关频率同样对两个系统的电机效率产生了积极的影响，主要表现为磁滞损耗和谐波损耗的减少。无铁芯系统特别表现出明显的电机效率提升，因为没有磁滞损耗，谐波损耗成为主要的电机损耗来源。尽管无芯系统的电机绕组时间常数约高出10倍，但其谐波损耗仍较传统系统更为显著。例如，在电机速度为2 kRPM时，空心杯电机产生的电机损耗比带定子铁芯系统高出2.1倍，等效的逆变器输出功率约为220 W。然而，随着开关频率的增加，空心杯电机的电机效率有了显著提升。

系统效率

系统效率曲线显示，与使用GaN和OptiMOS的系统不同，随着开关频率的增加，逆变器效率会明显降低。尽管电机效率在所有速度下均有所提高，但这种提升往往未能完全弥补由于逆变器效率下降带来的系统效率损失。唯一的例外发生在较低功率水平和6 kRPM电机速度下，在这种情况下，系统效率在较高开关频率下有所改善。

对于无芯系统，所有速度下的系统效率均有所提升，尤其在高开关频率下，系统效率提高约10%。与电机效率的提升趋势类似，所有速度下的系统功率损耗较高，但在2 kRPM时，空心杯电机系统表现出1.1倍以上的逆变器输出功率，等效系统功率损耗约为39 W。

讨论

本研究的结果为电机驱动系统在高开关频率下的效率和性能提供了宝贵的见解。一个关键点是，无芯系统由于具有较高的功率因数，其效率得到了显著提升。尤其在高负载条件下，空心杯电机能够提升逆变器效率，表明它在需要将功率有效输出的应用中非常有前景。

此外，结果表明，高开关频率能够显著降低电机损耗，尤其是谐波损耗，从而提高整体系统效率。在无铁芯系统中，谐波损耗的减少效果尤为明显，因为该系统没有磁滞损耗。由此可见，宽带隙半导体（如无芯系统中使用的半导体）在高频逆变器中的应用前景非常广阔。

有趣的是，电机和系统功率损耗的对比揭示了不同速度和开关频率下电机性能的细致差异。与传统观念相反，研究表明，低L/R时间常数的电机（如空心杯电机）在特定开关频率下更适合较低电机速度的运行。这与普遍认为的空心杯电机在高速度下表现更好的观点不同。相比之下，带铁芯且具有较高L/R比的电机在较高速度下表现更为出色，谐波损耗的减少更加显著。