BridgeSwitch電機驅(qū)動器從不同方向解決問題

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(qū)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(yù)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(shè)計應(yīng)盡可能的高效，以避免在其工作壽命結(jié)束前就被立法強制替換的風(fēng)險。

這些法律涵蓋了各種各樣的電機，從基礎(chǔ)設(shè)施泵中的大型電機到為PC風(fēng)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(zhuǎn)速度和負載下，對更高的效率和更大的可靠性的需求，導(dǎo)致無刷直流（BLDC）電機在新設(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。這也使得無刷直流電機在更小的封裝內(nèi)，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(zhuǎn)子，它與定子線圈產(chǎn)生的電磁場相互作用。這些線圈以精確的模式導(dǎo)通和關(guān)斷，以確保轉(zhuǎn)子有效轉(zhuǎn)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(guān)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(qū)動器增加了一些復(fù)雜性，但它提供了更大程度的靈活性和精確性。

由于有關(guān)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(qū)動器過熱時，不良的熱性能會阻止逆變器向電機驅(qū)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(fēng)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(shè)計復(fù)雜性并降低設(shè)計的機械強度。

BridgeSwitch電機驅(qū)動器

Power Integrations （PI） 在開發(fā)用于離線功率變換和柵極驅(qū)動的高度集成的高壓IC方面擁有豐富的經(jīng)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(gòu)，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(qū)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(qū)動器的損耗所產(chǎn)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(qū)動器，適用于驅(qū)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(yīng)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(shè)計。BridgeSwitch IC集成了下管和上管驅(qū)動器、控制器、電平變換器和兩個N通道600V快速恢復(fù)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(fù)的體二極管，使其成為驅(qū)動電感負載的理想選擇。它們可顯著降低開關(guān)損耗，并具有軟恢復(fù)特性以減少EMI。

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(qū)動微控制器?？梢允褂眯⌒头歉綦x驅(qū)動器，而不是傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計復(fù)雜性并減小電路板空間。內(nèi)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(yīng)，而且由于該架構(gòu)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(shè)計套件

為了讓設(shè)計更快地推向市場，PI還為BridgeSwitch產(chǎn)品系列開發(fā)了多款無刷直流電機參考設(shè)計套件（RDK）。新的參考設(shè)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(yīng)用，如壓縮機、吸油煙機以及家用和商用風(fēng)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(shè)計，適用于風(fēng)機應(yīng)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(shè)計采用直徑為88mm的PCB。

RDK-852是一款三相無刷直流電機驅(qū)動器，適用于高達200W的泵應(yīng)用。該設(shè)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(qū)動解決方案，它在整個負載范圍內(nèi)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(qū)動器參考設(shè)計。RDK-872是一款效率高達97%的70W設(shè)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(qū)動器。逆變器功率級使用兩個BridgeSwitch BRD1260C電機驅(qū)動器IC，并且采用全橋逆變器設(shè)計。

這些電路板都不需要散熱片。

為了進一步簡化設(shè)計過程，PI推出了Motor-Expert，這是一款電機控制配置和診斷應(yīng)用程序，為所有參數(shù)和命令提供了圖形用戶界面，以及用于以串行模式與電機控制器交互的終端仿真器。Motion Scope（運行概覽）功能提供可實時查看的重要控制器變量的線性圖。

責任編輯：haq