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前言
無刷直流電機(jī)(BLDC)設(shè)計(jì)很復(fù)雜。在大量的MOSFET、IGBT和門極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中開始選擇電子器件(舊的起點(diǎn)) 是茫然無助的。
安森美(onsemi)提供幫助,帶來一個(gè) “新的一階近似值起點(diǎn)”,提供與開關(guān)(N-FET或IGBT)相匹配的門極驅(qū)動(dòng),更接近客戶的最終決定,并跨越了 “舊的起點(diǎn)”——看似無止境的產(chǎn)品系列。這包括5個(gè)全面的表格,包含的電機(jī)電壓有:12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V和650 V,最高可達(dá)6 kW。
圖1
無刷直流電機(jī)(BLDC)
無刷直流(BLDC)電機(jī)具有許多優(yōu)于有刷永磁直流(PMDC)電機(jī)的優(yōu)勢(shì),特別是更高的可靠性,幾乎無需維護(hù),更低的電氣和聲學(xué)噪聲,更好的熱性能,更高的速度范圍,以及更高的功率密度。一個(gè)典型的BLDC電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用永久磁鐵,在定子上使用三個(gè)電樞繞組(U、V、W)。一個(gè)微控制器(MCU)實(shí)施各種控制和調(diào)制方案(梯形、正弦、帶有SVM的FOC、DTC等)中的一種,以策略性地給電機(jī)繞組通電。這就產(chǎn)生了電磁場(chǎng),導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。如果操作得當(dāng),這種相互作用力可以精確控制電機(jī)的速度、扭矩或所需方向的功率。
圖2展示了一個(gè)典型的三相BLDC電動(dòng)機(jī)的框圖。MCU執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件,它對(duì)其PWM外設(shè)發(fā)出指令,以向三個(gè)半橋門驅(qū)動(dòng)器輸出六個(gè)協(xié)調(diào)占空比。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)輸出橋中六個(gè)功率MOSFET的動(dòng)力轉(zhuǎn)向,給下橋(LS)和上橋(HS)U、V和W MOSFET通電。這些通常是N-溝道MOSFET,額定電壓為電機(jī)電壓的1.5~2.0倍,最高可達(dá)300 V。在300 V以上,N溝道MOSFET通常被IGBT取代,因?yàn)樗鼈兊墓β市阅芨摺?
MCU可以通過FAN4852 CMOS運(yùn)算放大器(9 MHz典型帶寬)測(cè)量流過每個(gè)繞組的電流,且可選擇用霍爾效應(yīng)傳感器反饋評(píng)估轉(zhuǎn)子的角度位置。或可實(shí)現(xiàn)一個(gè)無傳感器的架構(gòu),但需要更多的
處理開銷。RSL10 BLE可用于資產(chǎn)跟蹤、空中固件更新(FOTA)、功能選擇/調(diào)整和遙測(cè)數(shù)據(jù)收集。
圖2
BLDC表#1:12 V和24 V(N-FET)高達(dá)1.1 kW
下表1列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”,為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng),12 V的功率從93 W至372 W,24 V的功率從186 W至1.1 KW。
表1
BLDC表#2:48 V和60 V(N-FET)高達(dá)1.5 kW
下表2列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”,為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng),48 V的功率從186 W到1.5 kW,60 V的功率從186 W到1.5 kW。
表2
BLDC表#3:48 V和60 V(N-FET)高達(dá)3 kW
下表3列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”,為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng),120 V的功率從186 W到為1.8 kW,200 V的功率從186 W到3 kW。
表3
BLDC表#4:300 V和400 V(IGBT)高達(dá)6 kW
下表4列出了“新的一階近似值起點(diǎn)” 為IGBT提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng),300 V的功率從372 W到4.5 KW,400 V的功率從372 W到6 kW。
表4
BLDC表 #5:300 V、400 V和650 V(IPM)高達(dá)6 kW
下表5列出了集成功率模塊(IPM)的“新的一階近似值起點(diǎn)”,其中,門極驅(qū)動(dòng)器和IGBT被集成到一個(gè)易于使用的模塊,300 V的功率從372 W到4.5 KW,400 V的功率從372 W到6 kW,和650 V的功率從372 W到6 kW。
表5
安森美提供了一個(gè)很好的在線工具,用于構(gòu)建帶有 IPM(集成功率模塊)的BLDC。用戶輸入15種工作條件,該工具會(huì)生成多個(gè)詳細(xì)的分析表以及12個(gè)捕獲關(guān)鍵熱和功率性能的圖表(圖3)。
圖3
BLDC表#1-#5
BLDC很復(fù)雜,從頭到尾有數(shù)百個(gè)決定要做。例如,如果您有3個(gè)不同的客戶;a、b和c(圖1),從相同的“起點(diǎn)”(24 V,11/4 hp電機(jī))開始,當(dāng)所有3個(gè)客戶瀏覽了他們各自的決策樹時(shí),他們的最終設(shè)計(jì)將完全不同。這是因?yàn)槊總€(gè)客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護(hù)、使用壽命等的門檻。
因此,建立的門極驅(qū)動(dòng)與開關(guān)(MOSFET/IGBT)匹配表不可能對(duì)每個(gè)客戶都合適。如果我們嘗試,可能對(duì)一個(gè)客戶是適用的,而對(duì)另外999個(gè)客戶則不適用。然而,我們可以基于智能工程的考量做出一些合理的假設(shè),并產(chǎn)生一個(gè) “一階近似值”,它介于交給客戶開關(guān)和門極驅(qū)動(dòng)器組合(舊的起點(diǎn):你是自己的)與客戶的最終決定之間。
一階近似工程考量
成本:我們力求篩選出最低成本,同時(shí)滿足以下考量。
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):選擇梯形(又名6步控制)換向是因?yàn)樗目刂葡鄬?duì)簡(jiǎn)單并產(chǎn)生高效和高峰值扭矩。由于在任何時(shí)候只有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通,因此每個(gè)開關(guān)的“導(dǎo)通時(shí)間”占空比為33%。
PWM占空比:PWM頻率為15 kHz。這是大多數(shù)6 kW以下BLDC的典型情況。
門極驅(qū)動(dòng)器: 結(jié)隔離門極驅(qū)動(dòng)器。這些表格不包括電隔離。
溫度:環(huán)境溫度85 ℃。
門極驅(qū)動(dòng)計(jì)算:額定門極驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方法是將Q G(TOT)(nC)除以開/關(guān)時(shí)間(ns)。我們?yōu)镹-FET選擇 50 ns開/關(guān),為IGBT選擇200 ns。
N-FET結(jié)溫:對(duì)于表面貼裝封裝(無散熱器)的(T j) 由 T j = P DISS x R θJA Ambient 計(jì)算,在最大額定 T j以下至少留有25 ℃的余量。
-
其中:
- R θJA = 結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻
IGBT結(jié)溫:帶散熱片的通孔封裝的IGBT結(jié)溫(T j)計(jì)算公式為T j=P DISS x (R θJC R θCS R θSA ) 環(huán)境,在最大額定 T j以下至少留有50 ℃的余量。
-
其中:
- R θJC = 結(jié)到殼的熱阻
- R θCS = 殼到散熱片的熱阻
- R θSA = 散熱片到環(huán)境的熱阻
N-FET功耗: I PHASE
2 (A) x R DSON(歐姆)。
IGBT 功耗:開關(guān)損耗 導(dǎo)通損耗 二極管損耗
-
其中:
- 開關(guān)損耗 = E ts (J) x PWM 頻率(Hz)
- 導(dǎo)通損耗 = I PHASE (A) x V CE(SAT) (V)
- 二極管損耗 =(開關(guān)損耗 導(dǎo)通損耗)x 0.25
額定開關(guān)電壓:N-FET V(BR)DSS和IGBT VCES = 2-3x 電機(jī)電壓
額定開關(guān)電流:N-FETID和IGBTIC=3 x I PHASE。
電機(jī)相電流: I PHASE = 1.23 x P OUT / V BUS
-
其中:
- IPHASE = 電機(jī)相電流, 安培
- POUT = 逆變器到電機(jī)的電功率輸出
- PF=電機(jī)功率因數(shù),0.0–1.0,1.0是理想的(我們假設(shè)為 0.85)
- VBUS = 電機(jī)總線電壓、VDC 或 24 V
- MI = 調(diào)制指數(shù),0.0 – 1.0,典型值為0.9(我們假設(shè)為0.9)