如何提高電機設(shè)計能效？

時間：2019-08-10 13:07

      隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點，電機設(shè)計的能效也成為一個引人關(guān)注的問題。由于各國政府相繼出臺各種法規(guī)來要求提高電機能效，為了應(yīng)對能效挑戰(zhàn)，電機驅(qū)動電路變得越來越復(fù)雜。本文討論電機驅(qū)動電路的產(chǎn)品和行業(yè)趨勢，并提供有助于設(shè)計人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量、實現(xiàn)環(huán)保的解決方案。

工業(yè)領(lǐng)域的電機種類

      近100年來，電器產(chǎn)品主要使用感應(yīng)電機，即使是變頻驅(qū)動型電器，也是采用感應(yīng)電機?，F(xiàn)在某些新型電器開始采用效率更高、尺寸更緊湊、重量更輕的電機。這些新型電機可分為兩大類，即無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機。

      許多常見的家用電器都采用帶變頻驅(qū)動的無刷直流電機。這類高效的通用電機具有很高的轉(zhuǎn)矩密度。隨著能源價格飆升，業(yè)界重新燃起了對無刷直流電機的興趣。但一直以來，成本以及驅(qū)動設(shè)計的整體復(fù)雜性阻礙了這種電機的廣泛采用。

      開關(guān)磁阻電機則多用于吸塵器和手持電動工具這類不關(guān)注電機噪聲和轉(zhuǎn)矩波動的電器中。開關(guān)磁阻電機的特點是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高，但價位非常具有競爭力。

      無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機都要利用一個微控制器或DSP來進行波形調(diào)節(jié)，然后用功率開關(guān)(功率MOSFET或IGBT) 放大這些調(diào)節(jié)后的波形。

驅(qū)動電路

      設(shè)計變頻驅(qū)動電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機中，最流行的低頻驅(qū)動方案是梯形波驅(qū)動電路，如圖1所示。圖2給出了梯形波驅(qū)動電路的實際測試波形。

圖1：最流行的低頻驅(qū)動方案——梯形波驅(qū)動電路。

      梯形波控制方法及實際測試波形

圖2：梯形波控制方法及實際測試波形。

      如果需要更高的頻率和性能，可采用PWM方法來產(chǎn)生正弦波。若要再進一步提高效率，便可采用空間矢量調(diào)制 (Space Vector Modulation) 法。

      永磁三相同步電機有兩個流行的類型，即正弦永磁同步電機和梯形波無刷直流電機。正弦永磁同步電機與梯形波無刷直流電機(電氣性能)非常相似，它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)電機構(gòu)造或者說反電動勢(BEMF)的波形不同，一個是感應(yīng)電壓正弦永磁同步電機，另一個是梯形波無刷直流電機；(2)控制電壓的波形不同，一個采用三相正弦(所有三個相位同時有電流流過)，一個采用矩形六步換流。
      在新型驅(qū)動裝置中，正弦永磁同步電機越來越流行，開始在很多應(yīng)用中取代有刷和無刷直流電機、通用(交流異步)電機和其它電機(如家用變頻空調(diào)，工業(yè)縫紉機等)。其原因是它更可靠(無刷)、效率更高、噪聲更小，而且在電控制方面具有非常高的電壓利用率及低頻轉(zhuǎn)矩。圖3和圖4分別給出了一種基于磁場定向控制(FOC)的無位置傳感矢量控制器的系統(tǒng)框圖及其實驗波形。

      內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)矢量控制系統(tǒng)框圖。 

圖3：內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)矢量控制系統(tǒng)框圖。

      電磁轉(zhuǎn)矩方程式以及相電流與估算角度的實驗波形。 

圖4：電磁轉(zhuǎn)矩方程式以及相電流與估算角度的實驗波形。

創(chuàng)新解決辦法：智能功率模塊

      智能功率模塊(SPM)是微控制器或DSP與電機之間的功率接口，能減小電機體積并簡化設(shè)計。這種模塊較之于分立式解決方案的優(yōu)勢在于寄生電感更小、可靠性也更高，這是因為模塊內(nèi)的所有功率器件都采用了同批次芯片，具有一致的測試性能。這種智能功率模塊可與微控制器低電壓TTL或CMOS輸出直接接口，并帶有保護電路。模塊內(nèi)置有監(jiān)視結(jié)溫的熱敏電阻器、防止上下橋臂直通的邏輯保護電路、死區(qū)時間控制，以及用于最大限度減少EMI等的驅(qū)動波形整形電路。在模塊中，每個驅(qū)動IC均可進行優(yōu)化，使其以最小的EMI和驅(qū)動損耗來完成功率器件的開關(guān)動作。三相驅(qū)動模塊將繼續(xù)在電器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。圖5給出了馬達控制使用SPM 的典型應(yīng)用電路。

典型的應(yīng)用電路

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圖5：典型的應(yīng)用電路。

圖6：Motion-SPM外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖6為采用Mini-DIP封裝的Motion-SPM智能功率模塊的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意。Motion-SPM是一款超小型功率模塊，它將功率元件、上下橋臂柵極驅(qū)動器和保護電路全部集成在一個雙列直插式移模封裝件中，用于交流100~220V 等級低功耗電機驅(qū)動變頻控制。

      經(jīng)過設(shè)計的智能功率模塊，能實現(xiàn)最大的設(shè)計靈活性，可用于不同的輸出電壓和功率范圍.

高壓(600V) 橋式驅(qū)動技術(shù)

      (600V)高壓橋式驅(qū)動技術(shù)能實現(xiàn)小型的低成本模塊，以推動電機驅(qū)動電路的變革?，F(xiàn)代的高壓橋柵極驅(qū)動電路都經(jīng)過仔細設(shè)計，能降低高壓IC芯片工藝固有的寄生漏極電容。這樣，驅(qū)動電路就非常魯棒，足以承受超過-9V的負電壓。電源電壓上的正負尖峰電壓不會造成驅(qū)動電路發(fā)生閂鎖和柵級控制失效，這是最近10年來柵極驅(qū)動電路的一大變化。匹配傳輸延遲小于50ns，可使開關(guān)頻率達到100kHz或150kHz。IC內(nèi)增加的共模dV/dt噪聲消除電路也有助于降低發(fā)生假性導(dǎo)通的可能性，這也有助于使功率電路更加魯棒，同時還由于省去了額外的濾波部件，而使電路更加緊湊?，F(xiàn)代的IC(如FAN7382和FAN7384)的靜態(tài)電流更小、工作溫度更低，因此可靠性也更高。系統(tǒng)功率板空間和成本的減小體現(xiàn)了模塊化技術(shù)的一大優(yōu)勢，它省去了上一代電機驅(qū)動電路中常見的4個電源以及微控制器PC B和功率開關(guān) PCB之間的光電耦合電路。

NPT型與PT型IGBT的比較

      20年來，電機驅(qū)動一直選用IGBT作為功率開關(guān)器件。經(jīng)過設(shè)計，IGBT能針對某一開關(guān)頻率最大限度地降低損耗。對電機驅(qū)動行業(yè)來說，這意味需要適用不同頻率范圍的IGBT系列，既有針對某些消費電子產(chǎn)品電機的5kHz開關(guān)，也有針對許多工業(yè)用電機的20kHz開關(guān)，甚至有針對電機驅(qū)動以外應(yīng)用的更高頻率的開關(guān)。

      IGBT技術(shù)的改進(如導(dǎo)通電壓和每個開關(guān)周期的關(guān)閉功耗)也進一步提高了可靠性，并降低了模塊成本。在最近5年，常規(guī)IGBT在功能方面獲得了巨大的改進，新的非穿通型(NPT) IGBT也得到大規(guī)模應(yīng)用。

      NPT IGBT雖然看起來類似傳統(tǒng)的穿通型(PT) IGBT，但制造方法大不相同。與MOSFET或傳統(tǒng)IGBT不同，在硅片制作過程中，NPT IGBT采用P型區(qū)和背面金屬區(qū)。

      NPT IGBT的導(dǎo)通電壓(VCE(SAT))常低于傳統(tǒng)IGBT，或者說導(dǎo)通速度慢一些，但它們通常更魯棒，能承受短路或過流的時間更長。這使其在電機控制應(yīng)用中得到青睞。此外，如果查看這兩種IGBT的開關(guān)波形就會發(fā)現(xiàn)，NPT IGBT產(chǎn)生的EMI比PT IGBT的低得多。NPT IGBT開關(guān)脈沖的下沿基本上是一個單純的斜坡，而傳統(tǒng)IGBT的卻是一段dI/dt很大的區(qū)域，后接一段電流下降速率很慢的長尾，且器件的損耗高。在高dI/dt區(qū)域，傳統(tǒng)IGBT產(chǎn)生的EMI大，一般都會影響驅(qū)動電路，常常需要將功率開關(guān)與驅(qū)動電路進行隔離。NPT IGBT的另一個優(yōu)點是可與VCE(SAT)形成正溫度系數(shù)關(guān)系，這一特點對IGBT并聯(lián)應(yīng)用非常有用。


飛兆半導(dǎo)體的低導(dǎo)通阻抗600V SuperFET MOSFET系列產(chǎn)品特別采用DPAK(TO-252)封裝，能滿足用于運動控制應(yīng)用的最新超纖巧與薄型器件的要求。為最大限度降低開關(guān)和導(dǎo)通損耗，以滿足某些高開關(guān)頻率電機控制設(shè)計的系統(tǒng)效率要求，這些產(chǎn)品的導(dǎo)通阻抗降低至傳統(tǒng)平面MOSFET的1/3(0.6~1.2歐姆)。此外，這些產(chǎn)品還能承受快速的電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，使系統(tǒng)能在高開關(guān)頻率下可靠地工作。

本文小結(jié)

      近來，市場對節(jié)能家用電器的需求一直很強勁。在家用電器中，一臺電冰箱的耗電將占整個家庭耗電的10%以上。由于電冰箱壓縮機主要工作在低速下，因此改進低速下的電機驅(qū)動效率有巨大的節(jié)能潛力。為達到這一目的，飛兆半導(dǎo)體基于電冰箱和空調(diào)的正弦變頻器，針對無刷直流電機開發(fā)了相應(yīng)的解決方案。新的電機驅(qū)動技術(shù)針對高、低速壓縮機電機應(yīng)用，能進一步提高總體驅(qū)動效率。

      據(jù)估計，工業(yè)電能中有65% 被電機所消耗，難怪業(yè)界的主要企業(yè)均越來越重視節(jié)能，將其視為提高利潤和競爭力的關(guān)鍵。而答案之一就是節(jié)能，尤其是電機的能耗。這主要有兩種方法，即采用變頻調(diào)速驅(qū)動方案高效控制電機的工作速度，實時反饋電機運行狀態(tài)等參數(shù)，以及提高電機本身的效率和性能，因為可變速驅(qū)動在提高性能的同時，還可節(jié)能又可提高生產(chǎn)率。

      
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