安森美高效電機架構(gòu)與解決方案

更節(jié)省能源的新型、高效電機架構(gòu)與解決方案

電機的應(yīng)用相當廣泛，可用于各種小型家用電器、工業(yè)制造和重型應(yīng)用等，電機的多功能性使它們幾乎可以用于各種用途。不過，由于電機所消耗的電力約占全球電力消耗的一半，且仍在呈不斷上升的趨勢。如今隨著減少碳排放的要求力度不斷加大，因此，通過實施新穎的控制算法、利用新型的、更高效的電機架構(gòu)，以及結(jié)合現(xiàn)代半導體技術(shù)來提高效率變得越來越重要。本文將為您介紹電機的應(yīng)用與市場，以及由安森美（onsemi）推出的相關(guān)解決方案。

變頻驅(qū)動器具有更優(yōu)的電機驅(qū)動效率

電機的應(yīng)用范圍從小型應(yīng)用到重型應(yīng)用，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)電機驅(qū)動可說是當代全球工業(yè)的支柱，電機所消耗的電力幾乎占所有工業(yè)應(yīng)用中消耗的能源的三分之二。工業(yè)驅(qū)動可應(yīng)用于眾多任務(wù)業(yè)領(lǐng)域，包括流程自動化、風扇控制、液體和氣體泵、機器人、物料搬運、機床、石油和天然氣工業(yè)等。隨著法規(guī)變得越來越嚴格，工業(yè)驅(qū)動追求大幅節(jié)能的必要性，變得越來越重要。其中的交流電機通?？梢灾苯佑山涣?a target="_blank">電源驅(qū)動。然而，為了提高效率和卓越的控制，需要實施變頻驅(qū)動（VFD）。

其中，使用變頻驅(qū)動器（VFD）的工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)，比使用傳統(tǒng)氣閥控制的系統(tǒng)更高效。此外，在子系統(tǒng)中還需要使用的其他組件和技術(shù)，包括柵極驅(qū)動器、運算放大器、位置傳感器、溫度傳感器，以及其他用于控制和傳感的組件和技術(shù)，并通過使用現(xiàn)代半導體和新穎的電機架構(gòu)，提高了電機驅(qū)動器的效率和使用壽命。

目前市面上三種最流行的電機類型是交流感應(yīng)電機（ACIM）、永磁同步電機（PMSM）和無刷直流（BLDC）電機。另一方面，步進電機和伺服系統(tǒng)可用于精確定位和受控運動，廣泛用于需要固定和定位的應(yīng)用中。它們可用于為機器人手臂、裝配線、升降輔助設(shè)備和其他類似應(yīng)用提供動力，這些控制系統(tǒng)的特點是高精度和高重復性。

高效率的單相和三相交流電機解決方案

以安森美推薦的單相和三相交流電機解決方案為例，其電機驅(qū)動架構(gòu)中的電網(wǎng)供電電機控制電路的總體架構(gòu)由整流器、電源、傳感、控制硬件和功率級等組成。整流器級負責將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC），這可以使用簡單的二極管電橋來實現(xiàn)，但為了提高系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)（從而降低無功功率），可以使用功率因數(shù)校正級?？蛇x的DC-DC級用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為電機所需的電壓。輔助電源將交流輸入或直流總線轉(zhuǎn)換為不同的低電壓，以供應(yīng)控制硬件（MCU、存儲器、接口等）以及柵極驅(qū)動器。

制動電路用于在減速期間耗散能量，當電機與電源斷開時，它開始充當發(fā)電機。動態(tài)制動利用與功率開關(guān)（通常是IGBT）串聯(lián)的制動電阻來消耗電機的功率。逆變器由將功率傳輸?shù)诫姍C的功率開關(guān)組成，根據(jù)功率級別，它們可以是Si MOSFET、IGBT或碳化硅（SiC）MOSFET。它們可以是分立的，采用電源模塊或具有集成柵極驅(qū)動器的模塊形式。

為了進行精確的電子換向，需要確定轉(zhuǎn)子的位置。傳統(tǒng)上，這是通過利用霍爾傳感器來實現(xiàn)的。更新穎的解決方案使用光學或電感傳感器，而一些解決方案則跳過傳感器并測量反電動勢。當需要知道轉(zhuǎn)子的準確位置時，NCS32100等電感式位置傳感器在啟動期間特別有用。位置有可能在停機期間發(fā)生改變，因此系統(tǒng)無法依賴最后的已知狀態(tài)。

安森美的NCS32100電感式傳感器可用于計算位置和速度，其采用絕對編碼器，無需移動即可確定其位置，支持6,000 RPM全精度（45,000最大RPM），以及±50角秒（0.0138度）或38毫米傳感器的更高精度，并可以區(qū)分并抑制旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的振動，集成CortexM0+ MCU，具有高度可配置性，是適用于各種光學編碼器的更便宜替代品。

可提高電源轉(zhuǎn)換效率的完整產(chǎn)品線

功率因數(shù)校正（PFC）級是一個AC/DC轉(zhuǎn)換器，其目標是調(diào)整輸入電流以匹配輸入電壓的形狀，這減少了諧波并提高了效率。安森美的功率因數(shù)控制器NCP1681是一款無橋圖騰（Totem）多模式PFC控制器，具有恒定導通時間CrM和谷值開關(guān)頻率折返的固定頻率CCM（恒定導通模式），以及專有的電流檢測方案、專有的谷感方案，擁有高功率的理想選擇，支持高達1kW的多模式應(yīng)用，CCM >2.5kW，采用SOIC-20封裝。

安森美還推出多款逆變開關(guān)及解決方案，電機控制系統(tǒng)可以使用分立組件（IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、二極管、柵極驅(qū)動器等）或集成多個部件的功率模塊來設(shè)計。這些模塊可以在一個封裝中集成三相半橋、單半橋，甚至包括制動器、PFC或柵極驅(qū)動器。功率模塊可分為功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM），與分立解決方案相比，模塊的使用具有許多優(yōu)勢，由于模塊集成了電源組件以及保護功能（例如UVLO、短路保護、熱傳感等），因此它們減少了所需的空間，并且由于經(jīng)過全面測試而更加可靠。

IGBT是高壓應(yīng)用的最佳選擇，因為與Si MOSFET 相比，它們在同等材料厚度下可提供更高的阻斷電壓，IGBT開關(guān)是具有成本效益的主流解決方案。安森美新系列的1200 V Trench Field Stop VII IGBT，適用于電機控制應(yīng)用的低VCE(SAT)類型，增加可處理的功率并減少因熱量產(chǎn)生的功率損耗，從而改善冷卻，改進了高頻操作的寄生電容，堅固耐用，1200V Gen7二極管可實現(xiàn)低 VF和柔軟度，較低的壓降可降低傳導損耗，柔軟度是指二極管的反向恢復，反向恢復越軟，噪聲和電磁干擾（EMI）問題就越少。

另一款I(lǐng)GBT FGY100T120RWD是FS7系列的1200V、100A IGBT，集成了Gen7二極管，VCE(SAT) = 1.4V，Tjmax = 175℃，支持正溫度系數(shù)，易于并聯(lián)運行，具有低傳導損耗和優(yōu)化的電機控制應(yīng)用開關(guān)。

SiC MOSFET則可為需要高電壓和高頻的應(yīng)用提供最佳性能，具有較高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較高的導熱率。安森美的EliteSiC MOSFET的擊穿電壓范圍為650V至1700V，由于采用特殊的平面設(shè)計，所有EliteSiC SiC MOSFET系列在整個生命周期內(nèi)都不會出現(xiàn)RDS(ON)、VTH或二極管正向電壓漂移。

安森美的SiC MOSFET NTH4L014N120M3P是一款來自新型1200V M3P系列的EliteSiC MOSFET，ID = 152 A，采用TO-247-4L封裝，具有低開關(guān)損耗，典型的EON為1308 μJ（74 A、800 V），RDS(ON)=14 mΩ @VGS=18 V，超低柵極電荷為(QG(TOT))=137 nC，具有高速開關(guān)、低電容（COSS=146 pF）的特性。

另一款SiC MOSFET NTH4L023N065M3S是來自新型650V M3S系列的EliteSiC MOSFET，可改善開關(guān)損耗，并針對高溫操作進行了優(yōu)化，RDS(ON)=22.6 mΩ @VGS=18 V，與超低柵極電荷(QG(TOT))=87 nC，具有高速開關(guān)、低電容（COSS=153 pF）的特性，采用TO-247-4L封裝。

高度集成的智能功率模塊與功率集成模塊

智能功率模塊（IPM）是目前集成度最高的功率開關(guān)，該開關(guān)可以是IGBT或Si MOSFET。它是電機控制應(yīng)用的熱門選擇，因為它能夠在單個封裝中包含整個逆變器和PFC級，其他優(yōu)點包括EMI改進、空間優(yōu)化和更簡單的熱設(shè)計。

安森美的智能功率模塊NFCS1060L3TT是一款將PFC和逆變器完全集成在一個封裝中的產(chǎn)品，包括PFC SJ MOSFET、六個驅(qū)動IGBT，支持600V、10A，內(nèi)置過流和跨導保護，內(nèi)置自舉二極管和NTC，可減小PFC電感器尺寸，簡化的散熱器設(shè)計，降低電磁干擾。

另一款智能功率模塊NFAM3065L4B可用于ACIM/BLDC/PMSM的高性能輸出級，集成高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器、六個IGBT，支持650V、30A，內(nèi)置過流和低電壓保護、熱監(jiān)控和溫度傳感器，可降低EMI和損耗。

安森美還提供采用SiC MOSFET和IGBT技術(shù)的功率集成模塊（PIM），它們可以改進設(shè)計，并且可以在高達1200V的電壓下使用，由于其高電壓、高電流能力和較低的成本，IGBT器件仍然是主要選擇，SiC器件則可提供最佳性能和功率密度，并且正在迅速得到采用。PIM可以在一個封裝中包含半橋、全橋甚至整個三相逆變器，使用模塊大大減少了設(shè)計時間、冷卻尺寸并提高了整體集成度。

安森美的NXH800H120L7QDSG是一款額定電壓為1200V、800A的IGBT半橋功率模塊，采用PIM11（QD3）封裝，及全新Field Stop Trench 7 IGBT技術(shù)和Gen. 7二極管，可提供更低的傳導損耗和開關(guān)損耗，使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和卓越的可靠性，包含NTC熱敏電阻與低電感布局。

NXH006P120M3F2PTHG則是一款采用F2封裝的1200V SiC半橋模塊，采用M3 EliteSiC技術(shù)在VGS=18V、ID = 100A時提供典型RDS(ON) = 6 mΩ，包含熱敏電阻，采用HPD直接鍵合銅基板。

安森美還推出由PLECS提供支持的Elite電力模擬器，PLECS是一款系統(tǒng)級模擬器，可通過優(yōu)化的器件模型促進完整系統(tǒng)的建模和仿真，以實現(xiàn)最大速度和精度。此外，安森美還提供業(yè)界首款自助式PLECS模型生成器，允許用戶創(chuàng)建可在Elite電力模擬器中使用的自定義模型。PLECS還提供一系列適用于工業(yè)電機控制的逆變器拓撲，包括半橋、全橋和三相逆變器。

另一方面，MOSFET和IGBT必須由柵極驅(qū)動器驅(qū)動，因為MCU或控制器無法直接驅(qū)動它們。柵極驅(qū)動器可以是單個半橋，驅(qū)動一個高側(cè)和一個低側(cè)開關(guān)，也可以包含三個半橋柵極驅(qū)動器，控制所有三個電機相位。安森美產(chǎn)品組合中的許多柵極驅(qū)動器支持外部負偏壓，其中使用外部電路為柵極驅(qū)動器提供負偏壓。新型NCP51752系列具有內(nèi)部負偏壓，可節(jié)省系統(tǒng)成本，因為系統(tǒng)無需向柵極驅(qū)動器提供負偏壓軌。安森美還推出一系列的EliteSiC MOSFET產(chǎn)品組合和相應(yīng)的隔離式柵極驅(qū)動器，可滿足客戶多方面的需求。

結(jié)語

隨著全球?qū)τ诠?jié)能減排需求的提升，新型高效電機架構(gòu)和解決方案成為了能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些技術(shù)不僅提高了能源使用效率，降低了運營成本，更減少了對環(huán)境的影響。同時，通過智能控制、先進材料和創(chuàng)新的設(shè)計，這些電機實現(xiàn)了更靈活的運行和更穩(wěn)定的性能。安森美可提供完整的電機驅(qū)動與控制解決方案，將是您開發(fā)相關(guān)應(yīng)用的最佳合作伙伴。