電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CO2排放率的挑戰(zhàn)和有效應(yīng)對方法

根據(jù) OICA（世界汽車工業(yè)國際協(xié)會(huì)），人類活動(dòng)導(dǎo)致氣候變化可能是21世紀(jì)人類社會(huì)面臨的最大挑戰(zhàn)，而CO2是一個(gè)主要副產(chǎn)物。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會(huì)各界和各行各業(yè)做些積極的事情來控制CO2對氣候變化的影響。世界資源研究所關(guān)于全球資源CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16%來自機(jī)動(dòng)車輛、44%來自發(fā)電和加熱、40%電力由工業(yè)和消費(fèi)電子電機(jī)消耗。本文針對汽車和電機(jī)行業(yè)介紹能夠減緩CO2增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

汽車： 車輛電氣化

減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，研究替代燃料來源以及如何改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。長期挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)周期的長時(shí)間（也就是5-7年）概念，支持新架構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價(jià)格可行的替代燃料來源。使用新燃料并不重要，因?yàn)檐囕v設(shè)計(jì)需要滿足預(yù)定的質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。近期挑戰(zhàn)包括減少動(dòng)力系統(tǒng)的重量和尺寸并實(shí)現(xiàn)車輛電氣化。車輛電氣化是將機(jī)械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)。實(shí)例包括選擇較小電機(jī)，輔以電動(dòng)增壓器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)水泵、電驅(qū)動(dòng)空調(diào)和電氣推動(dòng)系統(tǒng)。解決這些挑戰(zhàn)有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產(chǎn)CO2排放量更少的車輛。

工業(yè)和消費(fèi)電子： 感應(yīng)電機(jī)到變頻電機(jī)（ECM、無刷式）

能夠減少電力消耗的更高效電機(jī)有助于減少CO2排放量。人們在不斷研究更節(jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長壽命設(shè)計(jì)（8-15 年無故障壽命）、重點(diǎn)關(guān)注可再生、替代能源的研發(fā)投資、以及能夠最大程度地提高各種電機(jī)效率的復(fù)雜控制和變頻驅(qū)動(dòng)。面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇是尋找合適的應(yīng)用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機(jī) 90% 的可靠感應(yīng)電機(jī)，并使用更高效電機(jī)（包括風(fēng)扇和泵），來循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢包括電子整流電機(jī) （ECM） 或無刷直流 （BLDC） 電機(jī)，以及專業(yè)開關(guān)磁阻 （SR） 電機(jī)。對變頻電機(jī)不斷增長的需求可以節(jié)省電機(jī)消耗電力的約 30%，或者節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機(jī)有助于降低 CO2排放的增長率。

最終影響趨勢的解決方案和平衡

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服很多挑戰(zhàn)才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在汽車和工業(yè)/消費(fèi)電子應(yīng)用中，環(huán)境和應(yīng)用條件都很嚴(yán)峻，并且總擁有成本必須經(jīng)過嚴(yán)格控制。例如，汽車機(jī)架式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能遇到超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負(fù)載，并且會(huì)接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時(shí)要求提供150A或更高的電機(jī)相電流，而損耗最小。家用電器、工業(yè)電機(jī)和泵都是針對放置于幾乎沒有強(qiáng)制氣流外殼中的設(shè)計(jì)和電路。高效電機(jī)將不同的電機(jī)技術(shù)、復(fù)雜的控制、熱機(jī)械創(chuàng)造性設(shè)計(jì)、新封裝和新硅技術(shù)融合到功率半導(dǎo)體中。若電源結(jié)構(gòu)和工作條件（包括電源電壓、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和溫度）已定義好，則效率決定因素包括電機(jī)技術(shù)類型、不同脈寬調(diào)制（PWM） 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

解決方案1：恢復(fù)和改進(jìn)的電機(jī)技術(shù)

雖然滿載效率評級較高，但是大部分電機(jī)不是以滿載條件運(yùn)轉(zhuǎn)。哪種電機(jī)技術(shù)最好？ 看情況而定。大多數(shù)ACIM在75%至90%的額定負(fù)載下以最高效率運(yùn)行。ACIM的轉(zhuǎn)子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產(chǎn)生，而其磁芯損耗是由鐵轉(zhuǎn)子和定子中的渦電流和滯后效應(yīng)導(dǎo)致的。對于通常以峰值幾分之一的負(fù)載使用電機(jī)的應(yīng)用而言，通過優(yōu)化預(yù)期負(fù)載范圍內(nèi)的效率，每年節(jié)省下來的能量相當(dāng)于節(jié)省電機(jī)/控制采購價(jià)格的 50%。美國能源部（DOE）預(yù)計(jì)44%的工業(yè)電機(jī)（記得90% 已安裝電機(jī)為感應(yīng)電機(jī)）始終以低于其額定負(fù)載的40%運(yùn)行。平均來說，交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）僅提供 44%的效率，而BLDC電機(jī)通常以65% 至90%的效率運(yùn)行。 作為電動(dòng)汽車牽引電機(jī)，圖1比較了ACIM和BLDC的電機(jī)效率（實(shí)際上，此處為室內(nèi)永磁交流電機(jī)）。 由于BLDC電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，BLDC電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅損。BLDC電機(jī)還具有更高效變速運(yùn)行的優(yōu)勢，而在類似負(fù)載條件下傳統(tǒng)ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機(jī)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的更復(fù)雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、正弦電機(jī)（即永磁交流和永磁同步電機(jī)）和ECM或無刷直流（BLDC）電機(jī)的效率。

解決方案2：通過PWM提高效率的方法

理想的電機(jī)功率波形可以顯著提高效率。有很多種PWM方法，每種都有利有弊（表1）。連續(xù)PWM （CPWM）比如正弦PWM和空間矢量PWM（SVPWM）是指電源電壓波形輸送到電機(jī)三相前的調(diào)制。非連續(xù)PWM（DPWM）是指基于空間矢量 PWM的兩相調(diào)制，因?yàn)殡姍C(jī)只有兩相進(jìn)行PWM，而第三相配合始終“導(dǎo)通”的高側(cè)或低側(cè)晶體管運(yùn)行。DPWM產(chǎn)生較低的開關(guān)損耗，但會(huì)產(chǎn)生施加到電機(jī)的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場定向控制（FOC）、變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可視為三次諧波注入技術(shù)。通常來說，開關(guān)損耗和電源電壓波形質(zhì)量比較表明較低調(diào)制下的SVPWM和高調(diào)制范圍內(nèi)的DPWM方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體器件和恰當(dāng)?shù)腜WM控制方法，從而產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娫措妷翰ㄐ危兄诟咝苿?dòng)一種電機(jī)技術(shù)。

解決方案3：功率半導(dǎo)體器件支持

解決方案3：功率半導(dǎo)體器件支持

功率電子設(shè)計(jì)中一個(gè)經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導(dǎo)體之間的選擇。有人可能會(huì)認(rèn)為使用分立器件的歷史習(xí)慣、物理布局的靈活性以及各個(gè)功率半導(dǎo)體廠家提供的廣泛可用部件都是致使功率模塊與分立器件之間爭論不休的因素。此外，從既定分立功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換到功率模塊需要額外的客戶研發(fā)工作。這個(gè)選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的3個(gè)關(guān)鍵因素和對應(yīng)的產(chǎn)物：

（1）電池/總線互聯(lián)、功率級，和電機(jī)

● 效率;

● EMI/EMC。

（2）熱堆疊設(shè)計(jì)

● PCB 元件到散熱片熱阻;

● 可靠性、成本和產(chǎn)量。

（3）空間限制

僅僅為了降低成本而替換有效的分立解決方案，從而追求模塊解決方案，通常不是一個(gè)好主意。若分立器件不能滿足五個(gè)要求中的一個(gè)或多個(gè)要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個(gè)要求是：（1）可靠性;（2）結(jié)構(gòu)緊湊;（3）電氣性能;（4）增值互聯(lián);（5）熱性能。

在電氣、機(jī)械和熱領(lǐng)域的交互方面出現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應(yīng)互聯(lián)，逆變器與電機(jī)之間的高電流接口，從逆變器到支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)械互聯(lián)，以及逆變功率器件和冷卻劑之間的高效熱互聯(lián)。冷卻劑或散熱器通常僅僅是熱空氣或高溫金屬。合適的功率模塊有助于解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素與剛才強(qiáng)調(diào)的要求之間的平衡。

對于三相ACIM和BLDC變頻驅(qū)動(dòng)，存在六個(gè)驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因?yàn)楫?dāng)線路電壓、功率需求和工作溫度上升時(shí)，IGBT具有卓越的傳導(dǎo)性能。線路電壓總線輸入和變頻驅(qū)動(dòng)器通常需要功率因數(shù)校正（PFC） 級，以便最大化來自電網(wǎng)的功率級。在較低電壓如12V至48V電池/總線電壓下，MOSFET為首選并且是可行的，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)和開關(guān)性能通常超過 IGBT。從逆變器電路到電機(jī)的理想功率波形可以顯著提高效率。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的電氣挑戰(zhàn)

變頻的主要功能是產(chǎn)生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅(qū)動(dòng)必須體現(xiàn)卓越機(jī)電性能（包括高效率）的電機(jī)。12V的總線可能需要六個(gè)40V額定MOSFET（典型裸片Rds（on）為1.15 mΩ），才能實(shí)現(xiàn)高電流和高效率運(yùn)行?；蛘呔€路電壓總線和高電流應(yīng)用可能需要并聯(lián)的多個(gè)分立IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)特性來篩選IGBT成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實(shí)現(xiàn)均流控制。若沒有匹配的IGBT，當(dāng)在高電流應(yīng)用中每個(gè)開關(guān)并聯(lián)多個(gè)部件時(shí)，可能出現(xiàn)不想要的熱應(yīng)力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔(dān)匹配IGBT的責(zé)任，讓最終用戶無需擔(dān)憂。模塊中集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋以改進(jìn)EMI性能。 還包括用于電流感測的精密電流檢測電阻，可提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和過流保護(hù)。 另外，還有一個(gè)溫度感測 NTC，用于監(jiān)控變頻器的發(fā)熱情況。

模塊通常直接安裝至電機(jī)外殼表面，允許控制PC僅沿模塊一側(cè)連接至信號引腳（圖2）。 分隔到模塊對面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便PCB上無需存在高電流引線，從而簡化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。傳熱式直接敷銅（DBC）結(jié)構(gòu)在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500 Vrms電氣隔離。

由于電源連接位于模塊一側(cè)并且與控制PCB隔離，設(shè)計(jì)具有非常低電感的電源連接就成為可能，從而為 MOSFET的直流連接濾波和BVDSS的設(shè)計(jì)留出額外裕量。類似地，由于模塊內(nèi)包含所有高電流傳導(dǎo)路徑，從 VBAT+到GND產(chǎn)生的極低總電阻有助于提高系統(tǒng)效率，允許提高總線電壓利用率，并最大化電機(jī)端子可用的電壓。 這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)就享有成本優(yōu)勢。

模塊內(nèi)部的MOSFET裸片可能位于緊密集成的RC濾波器元件附近，以便進(jìn)行高效的EMI抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實(shí)現(xiàn)開關(guān)過渡。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的機(jī)械挑戰(zhàn)

在采用分立包裝元件開發(fā)的變頻器中，比如TO-247、TO-263 （D2PAK） 或MO-299封裝，存在必須由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理的更多機(jī)械接口。 包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，還可能由散熱片至下一級組件。 這些機(jī)械接口與系統(tǒng)的熱性能有密切聯(lián)系。在模塊解決方案中，大多數(shù)接口都包含到功率模塊結(jié)構(gòu)中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理。 遵照 Fairchild對表面平滑度和安裝螺釘扭矩（或夾合力）的建議，可在變頻器生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)卓越的熱性能和振動(dòng)性能。圖3顯示眾多通過安裝模塊滿足熱性能和振動(dòng)性能例子中的一個(gè)。正確的安裝方法還能夠擴(kuò)展產(chǎn)品的功率容量。

設(shè)計(jì)分立模塊時(shí)影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

與安裝在PCB或IMS上的六個(gè)或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡化機(jī)械接口設(shè)計(jì)可獲得極好的熱性能。 為了舉例說明，圖4顯示Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個(gè)MOSFET的結(jié)至殼以及典型結(jié)至散熱片瞬態(tài)熱阻。結(jié)至散熱片的熱阻假設(shè)為采用30微米膠層厚度，系數(shù)為2.1 W/（m-K）的導(dǎo)熱材料。

采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，出色的熱性能使得整個(gè)變頻器可采用高功率密度的封裝。 AP的尺寸修剪為29 mm x 44 mm x 5 mm，可構(gòu)成約400 mL總?cè)萘康臉O緊湊變頻組件，包括繼電器、直流連接濾波器元件、控制PCB、散熱片和連接器。 工作條件下的功率循環(huán)和紋波溫度分析最終明確了使用電源時(shí)所需的封裝和焊線應(yīng)力。

總結(jié)

將幾十年的線路驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)替代為變頻驅(qū)動(dòng)的高效電機(jī)是一個(gè)節(jié)能的、對環(huán)境負(fù)責(zé)的趨勢，由功率半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代機(jī)器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應(yīng)需要和挑戰(zhàn)，滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。汽車和商用/工業(yè)電機(jī)行業(yè)都在尋求替代能源并創(chuàng)建更高效系統(tǒng)，從而減少傳統(tǒng)能耗并降低CO2排放率。