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文章?|?一種更快、更有效地將無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)的方式

時(shí)間：2021-11-08 15:57:54
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[導(dǎo)讀]注：原載于電子產(chǎn)品世界，2021年10月27日??作者|?CristianIonescu-CatrinaPowerIntegrations高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理??電機(jī)是目前世界上最大的電力消耗者，并且占比非常大。荷蘭能源研究中心(ECN)估計(jì)，全球發(fā)電量的45%是由電機(jī)消耗的。因此，...

電機(jī)是目前世界上最大的電力消耗者，并且占比非常大。荷蘭能源研究中心(ECN)估計(jì)，全球發(fā)電量的45%是由電機(jī)消耗的。因此，為了推動(dòng)效率的提高，各國正通過立法手段來提高電機(jī)的效率標(biāo)準(zhǔn)。2021年7月，歐盟開始實(shí)施“電機(jī)和變速驅(qū)動(dòng)裝置條例(EU) 2019/1781”，對(duì)之前被排除在標(biāo)準(zhǔn)之外的一些電機(jī)增加了最低效率限值，并縮短了為其他類型電機(jī)符合效率要求所預(yù)留的時(shí)間。此類法規(guī)顯示的趨勢(shì)很明顯——所允許的最低效率將隨著時(shí)間的推移不斷提高。新的電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的高效，以避免在其工作壽命結(jié)束前就被立法強(qiáng)制替換的風(fēng)險(xiǎn)。



這些法律涵蓋了各種各樣的電機(jī)，從基礎(chǔ)設(shè)施泵中的大型電機(jī)到為PC風(fēng)扇供電的微型電機(jī)。尺寸不是唯一的考慮因素，電機(jī)的類型也很重要。以前，有刷直流電機(jī)被廣泛使用，但它們的效率相對(duì)較低，可靠性有限——電刷會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損，需要更換。在各種運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)載下，對(duì)更高的效率和更大的可靠性的需求，導(dǎo)致無刷直流(BLDC)電機(jī)在新設(shè)計(jì)中被廣泛采用。



無刷直流電機(jī)不需要電刷和換向器之間的物理接觸。這一步消除了摩擦引起的機(jī)械損耗，使無刷直流電機(jī)更適合長期使用。由于轉(zhuǎn)子不需要供電，因此無需電刷和滑環(huán)，換向器組件也簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。這也使得無刷直流電機(jī)在更小的封裝內(nèi)，每瓦特輸出的扭矩比有刷直流電機(jī)更大。



無刷直流電機(jī)使用永磁體作為轉(zhuǎn)子，它與定子線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用。這些線圈以精確的模式導(dǎo)通和關(guān)斷，以確保轉(zhuǎn)子有效轉(zhuǎn)動(dòng)。這種模式由微控制器(MCU)算法決定，并使用嵌入電機(jī)的傳感器提供實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)精確控制。微控制器向開關(guān)發(fā)送信號(hào)，控制通過線圈的電流。盡管微控制器控制給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器增加了一些復(fù)雜性，但它提供了更大程度的靈活性和精確性。



由于有關(guān)電機(jī)效率的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是整個(gè)電機(jī)組件的運(yùn)行情況，因此必須使每個(gè)階段的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，以盡量減少整體損耗。這包括用于為電機(jī)供電的逆變器。逆變器的性能受到熱量的限制。除了縮短逆變器的使用壽命外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器過熱時(shí)，不良的熱性能會(huì)阻止逆變器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供足夠的電流。解決散熱問題的典型方法是使用散熱片，或在某些情況下使用輔助風(fēng)扇，但這兩種解決方案都不太理想。兩者都會(huì)加大電機(jī)尺寸和重量，這不利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化，并且會(huì)增加BOM物料數(shù)、增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性并降低設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度。



BridgeSwitch電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


Power Integrations (PI) 在開發(fā)用于離線功率變換和柵極驅(qū)動(dòng)的高度集成的高壓IC方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠從兩個(gè)不同的方向解決這個(gè)問題。


  • 第一個(gè)方法是提供一種有效的架構(gòu)，最大限度地減少需要耗散的熱量。


  • 第二個(gè)方法是采用單獨(dú)的IC分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)相的電機(jī)繞組，以提供一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案，其靈活性足以支持單相和多相電機(jī)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的損耗所產(chǎn)生的少量熱量均勻分布于整個(gè)PCB上，而不是集中在某個(gè)集中發(fā)熱點(diǎn)。



這就是PI的BridgeSwitch?系列集成半橋(IHB)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)(無刷直流或永磁同步電機(jī)(PMSM))以及異步電機(jī)(例如交流感應(yīng)電機(jī))。




BridgeSwitch器件的效率可高達(dá)98.5%，適用于功率范圍為30W(典型IRMS=0.2A)至400W(典型IRMS=1.1A)的逆變器設(shè)計(jì)。BridgeSwitch IC集成了下管和上管驅(qū)動(dòng)器、控制器、電平變換器和兩個(gè)N通道600V快速恢復(fù)外延型二極管FET(FREDFET)，并可提供無損耗的電流檢測(cè)功能。FREDFET具有極快恢復(fù)的體二極管，使其成為驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的理想選擇。它們可顯著降低開關(guān)損耗，并具有軟恢復(fù)特性以減少EMI。





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bridgeswitch schematic



BridgeSwitch IC可自行供電，允許使用更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)供電電源(例如PI的LinkSwitch?-TN2)來驅(qū)動(dòng)微控制器?？梢允褂眯⌒头歉綦x驅(qū)動(dòng)器，而不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多路輸出隔離反激式方案，從而進(jìn)一步縮減BOM、降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并減小電路板空間。內(nèi)部還集成逆變器診斷功能，可減少所需的傳感器數(shù)量和微處理器故障處理資源占比。BridgeSwitch IC集成了許多基于硬件的故障保護(hù)和外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)測(cè)功能。這種硬件方案不僅能提供比軟件保護(hù)更快的響應(yīng)，而且由于該架構(gòu)具有硬件方式實(shí)現(xiàn)的逐周期下管和上管過流保護(hù)以及板載監(jiān)測(cè)功能，因此更容易通過UL/IEC60730認(rèn)證。通過硬件方式實(shí)現(xiàn)這些功能，意味著滿足UL/IEC 60730的軟件要求從B級(jí)降低到A級(jí)，無需在軟件更新后重新認(rèn)證。



BridgeSwitch參考設(shè)計(jì)套件


為了讓設(shè)計(jì)更快地推向市場(chǎng)，PI還為BridgeSwitch產(chǎn)品系列開發(fā)了多款無刷直流電機(jī)參考設(shè)計(jì)套件(RDK)。新的參考設(shè)計(jì)可提供高達(dá)400W的輸出功率且無需散熱片，能夠支持具有更大RMS電流要求和高散熱要求的應(yīng)用，如壓縮機(jī)、吸油煙機(jī)以及家用和商用風(fēng)機(jī)和泵。



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RDK-851是一款使用BridgeSwitch IC BRD1260C的50W高壓無刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)，適用于風(fēng)機(jī)應(yīng)用。這種具有控制輸入接口的三相逆變器可提供超過93%的效率。該設(shè)計(jì)采用直徑為88mm的PCB。


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RDK-852是一款三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適用于高達(dá)200W的泵應(yīng)用。該設(shè)計(jì)的PCB板尺寸為65mm x 50mm，并且使用BridgeSwitch IC BRD1263C，采用無傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)方法。這款效率高達(dá)97%的解決方案還使用LinkSwitch-TN2  IC (LNK3204D)為電流檢測(cè)放大器供電，也可選擇為BridgeSwitch器件提供外部偏置供電。
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RDK-853是一款非常出色的300W壓縮機(jī)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，它在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率超過98%，并且采用95mm x 75mm的PCB。該方案使用BridgeSwitch IC BRD1265C和LinkSwitch-TN2  LNK3204D IC，它具有可提供瞬態(tài)相電流輸出信號(hào)的信號(hào)接口并可為每個(gè)BridgeSwitch器件提供故障報(bào)告，從而支持任何微控制器實(shí)現(xiàn)無傳感器FOC控制。


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PI還提供單相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)。RDK-872是一款效率高達(dá)97%的70W設(shè)計(jì)方案。這款單相逆變器使用了兩個(gè)采用薄型表面貼裝封裝的BridgeSwitch BRD1261C IC，其裸焊盤能夠通過PCB進(jìn)行散熱。
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RDK-873是一款效率高達(dá)95%的30W緊湊型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。逆變器功率級(jí)使用兩個(gè)BridgeSwitch BRD1260C電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC，并且采用全橋逆變器設(shè)計(jì)。



這些電路板都不需要散熱片。



為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，PI推出了Motor-Expert?，這是一款電機(jī)控制配置和診斷應(yīng)用程序，為所有參數(shù)和命令提供了圖形用戶界面，以及用于以串行模式與電機(jī)控制器交互的終端仿真器。Motion Scope（運(yùn)行概覽）功能提供可實(shí)時(shí)查看的重要控制器變量的線性圖。



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