文章?|?一種更快、更有效地將無刷直流電機設計推向市場的方式

時間：2021-11-08 15:57:54

關鍵字：無刷直流電機電機設計

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[導讀]注：原載于電子產品世界，2021年10月27日??作者|?CristianIonescu-CatrinaPowerIntegrations高級產品營銷經理??電機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，全球發(fā)電量的45%是由電機消耗的。因此，...

電機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，全球發(fā)電量的45%是由電機消耗的。因此，為了推動效率的提高，各國正通過立法手段來提高電機的效率標準。2021年7月，歐盟開始實施“電機和變速驅動裝置條例(EU) 2019/1781”，對之前被排除在標準之外的一些電機增加了最低效率限值，并縮短了為其他類型電機符合效率要求所預留的時間。此類法規(guī)顯示的趨勢很明顯——所允許的最低效率將隨著時間的推移不斷提高。新的電機設計應盡可能的高效，以避免在其工作壽命結束前就被立法強制替換的風險。

這些法律涵蓋了各種各樣的電機，從基礎設施泵中的大型電機到為PC風扇供電的微型電機。尺寸不是唯一的考慮因素，電機的類型也很重要。以前，有刷直流電機被廣泛使用，但它們的效率相對較低，可靠性有限——電刷會隨著時間的推移而磨損，需要更換。在各種運轉速度和負載下，對更高的效率和更大的可靠性的需求，導致無刷直流(BLDC)電機在新設計中被廣泛采用。

無刷直流電機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械損耗，使無刷直流電機更適合長期使用。由于轉子不需要供電，因此無需電刷和滑環(huán)，換向器組件也簡化了結構。這也使得無刷直流電機在更小的封裝內，每瓦特輸出的扭矩比有刷直流電機更大。

無刷直流電機使用永磁體作為轉子，它與定子線圈產生的電磁場相互作用。這些線圈以精確的模式導通和關斷，以確保轉子有效轉動。這種模式由微控制器(MCU)算法決定，并使用嵌入電機的傳感器提供實時反饋以實現(xiàn)精確控制。微控制器向開關發(fā)送信號，控制通過線圈的電流。盡管微控制器控制給電機驅動器增加了一些復雜性，但它提供了更大程度的靈活性和精確性。

由于有關電機效率的法規(guī)標準針對的是整個電機組件的運行情況，因此必須使每個階段的運行達到最佳狀態(tài)，以盡量減少整體損耗。這包括用于為電機供電的逆變器。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，當驅動器過熱時，不良的熱性能會阻止逆變器向電機驅動器提供足夠的電流。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扇，但這兩種解決方案都不太理想。兩者都會加大電機尺寸和重量，這不利于實現(xiàn)電機小型化，并且會增加BOM物料數(shù)、增加設計復雜性并降低設計的機械強度。

BridgeSwitch電機驅動器

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

第一個方法是提供一種有效的架構，最大限度地減少需要耗散的熱量。
第二個方法是采用單獨的IC分別驅動各個相的電機繞組，以提供一個可擴展的解決方案，其靈活性足以支持單相和多相電機。每個驅動器的損耗所產生的少量熱量均勻分布于整個PCB上，而不是集中在某個集中發(fā)熱點。

這就是PI的BridgeSwitch?系列集成半橋(IHB)電機驅動器，適用于驅動同步電機(無刷直流或永磁同步電機(PMSM))以及異步電機(例如交流感應電機)。

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

bridgeswitch schematic

BridgeSwitch IC可自行供電，允許使用更簡單的系統(tǒng)供電電源(例如PI的LinkSwitch?-TN2)來驅動微控制器。可以使用小型非隔離驅動器，而不是傳統(tǒng)設計中的多路輸出隔離反激式方案，從而進一步縮減BOM、降低設計復雜性并減小電路板空間。內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和外部系統(tǒng)級監(jiān)測功能。這種硬件方案不僅能提供比軟件保護更快的響應，而且由于該架構具有硬件方式實現(xiàn)的逐周期下管和上管過流保護以及板載監(jiān)測功能，因此更容易通過UL/IEC60730認證。通過硬件方式實現(xiàn)這些功能，意味著滿足UL/IEC 60730的軟件要求從B級降低到A級，無需在軟件更新后重新認證。

BridgeSwitch參考設計套件

為了讓設計更快地推向市場，PI還為BridgeSwitch產品系列開發(fā)了多款無刷直流電機參考設計套件(RDK)。新的參考設計可提供高達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用，如壓縮機、吸油煙機以及家用和商用風機和泵。

	RDK-851是一款使用BridgeSwitch IC BRD1260C的50W高壓無刷直流電機控制設計，適用于風機應用。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。該設計采用直徑為88mm的PCB。
	RDK-852是一款三相無刷直流電機驅動器，適用于高達200W的泵應用。該設計的PCB板尺寸為65mm x 50mm，并且使用BridgeSwitch IC BRD1263C，采用無傳感器磁場定向控制(FOC)方法。這款效率高達97%的解決方案還使用LinkSwitch-TN2 IC (LNK3204D)為電流檢測放大器供電，也可選擇為BridgeSwitch器件提供外部偏置供電。
	RDK-853是一款非常出色的300W壓縮機三相電機驅動解決方案，它在整個負載范圍內的效率超過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)相電流輸出信號的信號接口并可為每個BridgeSwitch器件提供故障報告，從而支持任何微控制器實現(xiàn)無傳感器FOC控制。
	PI還提供單相無刷直流電機驅動器參考設計。RDK-872是一款效率高達97%的70W設計方案。這款單相逆變器使用了兩個采用薄型表面貼裝封裝的BridgeSwitch BRD1261C IC，其裸焊盤能夠通過PCB進行散熱。
	RDK-873是一款效率高達95%的30W緊湊型無刷直流電機驅動器。逆變器功率級使用兩個BridgeSwitch BRD1260C電機驅動器IC，并且采用全橋逆變器設計。