在馬達(dá)設(shè)計(jì)中提升更高的效率

近些年來，家用電器對節(jié)能的要求變得越來越強(qiáng)烈。這是很顯然的，僅電冰箱所消耗的能量就超過家庭用電量的10％。由于電冰箱的馬達(dá)主要在低速運(yùn)轉(zhuǎn)，就有非常大的節(jié)能潛力，通過在低速驅(qū)動器中簡單改進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動效率就能實(shí)現(xiàn)。

同樣，據(jù)估計(jì)工業(yè)用電的65％被電驅(qū)動馬達(dá)所消耗，毫無疑問，商家正逐漸意識到節(jié)能將成為改善收益率和競爭能力的關(guān)鍵。在電驅(qū)動馬達(dá)中降低能量消耗有兩種主要的方式：改善馬達(dá)本身的效率和使用可調(diào)速驅(qū)動器來有效地控制其工作速度。下面將介紹這兩種方法。

變頻驅(qū)動器
馬達(dá)的應(yīng)用已經(jīng)接近100年了，目前較新的應(yīng)用使用了更加高效、簡捷和輕便的馬達(dá)，包括無刷直流馬達(dá)系列和磁阻切換馬達(dá)系列。無刷直流馬達(dá)和磁阻切換馬達(dá)都使用一個(gè)MCU或DSP來合成驅(qū)動信號，然后使用MOSFET或IGBT器件作為功率開關(guān)進(jìn)行放大。

能耗成本的增加正促使人們重新對采用變頻驅(qū)動的無刷直流馬達(dá)產(chǎn)生了興趣。這些高效而通用的馬達(dá)有很高的扭矩重量比，但是阻礙它們廣泛應(yīng)用的主要因素是驅(qū)動電路的高成本和高復(fù)雜性。

設(shè)計(jì)變頻驅(qū)動器有幾種不同的方法。常規(guī)三相馬達(dá)的最流行低頻驅(qū)動方法是梯形波驅(qū)動（見圖1）。

圖1 梯形波控制和實(shí)測波形

如果需要更高的效率和性能，就必須通過脈寬調(diào)制（PWM）方法來產(chǎn)生正弦波。為了更進(jìn)一步的改進(jìn)效率，還可以使用空間向量調(diào)制方法。

具有永磁體的三相同步馬達(dá)有兩種主要的類型：正弦脈沖調(diào)制（PM）同步馬達(dá)和梯形無刷直流馬達(dá)。二者在許多方面是相同的（例如，二者都是電子換向的），但也有兩個(gè)主要的差別。

● 馬達(dá)的結(jié)構(gòu)
正弦控制波形馬達(dá)與梯形控制波形馬達(dá)的BEMF感生電壓的形狀不同。

● 控制方式
控制電壓波形不同，分別是三相正弦波形（所有三個(gè)相位同時(shí)接通）與矩形六步換向（任何時(shí)候都有一個(gè)相位不接通）。

正弦脈沖調(diào)制（PM）同步馬達(dá)日益流行，在非常多的應(yīng)用中替代了有刷直流常規(guī)馬達(dá)和其他類型的馬達(dá)。主要的原因是它可以提供更好的可靠性而不需要電刷，以及有更高的效率、更低的噪聲和其他優(yōu)點(diǎn)（如圖2所示）。

圖2 內(nèi)置永磁同步馬達(dá)（IPMSM）向量控制系統(tǒng)框圖
　　
智能功率模塊
隨著小型化馬達(dá)的設(shè)計(jì)越來越容易，智能功率模塊（SPM）提供了與MCU或DSP的功率接口。這些模塊相比分立元件方案的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了寄生自感和具有更高的可靠性，這是由于模塊中所有開關(guān)器件都使用了相同類型的基底。因此，它們具有相同的特性，以及很好的可測試性。

SPM是一個(gè)驅(qū)動電路，可以直接與微控制器的低壓TTL或CMOS輸出引腳，以及其他保護(hù)電路連接。模塊有一個(gè)溫度傳感器來監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的溫度，有相應(yīng)的控制邏輯來阻止高端和低端開關(guān)管的偶然打開、死區(qū)控制，以及波形整形電路以降低EMI。這些模塊的驅(qū)動集成電路可以對開關(guān)功率器件優(yōu)化以減少EMI和驅(qū)動損耗。

高壓橋驅(qū)動器
緊湊、低功耗型模塊為馬達(dá)驅(qū)動器帶來高壓（600V）橋驅(qū)動的變革。這些驅(qū)動器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)來減少內(nèi)部高壓集成電路工藝中的寄生漏-源極電容，因此可以在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)電壓超過-9V的環(huán)境下穩(wěn)定工作。

供電電壓正和負(fù)峰值不會使驅(qū)動器閉鎖和失去柵極控制，而最近十幾年，柵極驅(qū)動器卻發(fā)生了很大的改變。如果傳輸延遲低于50ns，就可以使開關(guān)頻率高達(dá)100或150kHz。

集成電路內(nèi)部的共模dv/dt噪聲吸收電路有助于降低錯(cuò)誤打開的可能性，并使功率電路更加穩(wěn)固，而且不需要額外的濾波電路就能夠使體積更加緊湊。低靜態(tài)電流的現(xiàn)代集成電路，例如FAN7382和FAN7384，能降低工作溫升，因而增加可靠性。

另外一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)是減少了電路板的面積和成本，它替代了在微控制器PCB和功率開關(guān)PCB之間的四種隔離供電和光耦合隔離電路，而這在早先一代的馬達(dá)驅(qū)動器產(chǎn)品中則是非常普遍的。
　　
IGBT：NPT與PT的比較
二十多年來，馬達(dá)驅(qū)動器中的功率開關(guān)器件一直是IGBT，它在一定開關(guān)頻率下可以降低損耗。對于馬達(dá)驅(qū)動器領(lǐng)域，這也表明IGBT系列面向消費(fèi)類馬達(dá)的驅(qū)動頻率大約為5kHz，許多工業(yè)馬達(dá)的驅(qū)動頻率大約是29kHz，而有些馬達(dá)驅(qū)動的驅(qū)動器則有更高的驅(qū)動頻率。

IGBT不斷革新，每個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通電壓和關(guān)閉能量與模塊的可靠性和低成本都有很大的關(guān)系。最近五年，常規(guī)IGBT的能力得到了巨大的改進(jìn)，而且新興的非擊穿IGBT更加普及?？雌饋矸浅Ｏ癯Ｒ?guī)擊穿IGBT的NPT IGBT是通過與以往不同的工藝制造的。與MOSFET和常規(guī)IGBT不同，NPT IGBT在晶圓工藝中使用P區(qū)域和底層金屬區(qū)域填充。

NPT IGBT的導(dǎo)通電壓Vce(sat)通常不會比常規(guī)IGBT的高，或者至少一樣低。然而，它們通常更加穩(wěn)固?？梢猿惺芟喈?dāng)長時(shí)間短路或過流條件的能力使它們在馬達(dá)控制領(lǐng)域非常流行。此外，如果對比兩種類型IGBT的開關(guān)波形，就可以發(fā)現(xiàn)NPT IGBT產(chǎn)生的EMI比PT IGBT低很多。

NPT IGBT有一個(gè)基本是單一斜率的下降時(shí)間
換句話說，常規(guī)IGBT的下降時(shí)間由一個(gè)dI/dt非常高的區(qū)域和之后一個(gè)非常長的尾跡組成。在后一個(gè)區(qū)域，電流的下降速率非常低，而且器件損耗非常高。在高dI/dt的區(qū)域，常規(guī)IGBT所產(chǎn)生的EMI是很高的，通常會具有影響驅(qū)動電路的可能，必須將驅(qū)動電路和功率開關(guān)管隔離。NPT IGBT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以采用Vce(sat)是正溫度系數(shù)的工藝制造，這是并聯(lián)IGBT時(shí)非常重要的參數(shù)。