PCIM展台巡礼 | 基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统

当今常见的交流伺服系统，通常由伺服变频器和永磁同步电机构成，两者用线缆连接在一起。而在一个多电机的应用场景中（譬如多关节6/7轴工业机器人），常常面临着功率线缆过多的难题：成本高，易疲劳老化，转弯半径大…

内部集成变频器的一体式伺服电机将完美解决诸如此类的问题，较少的对外接口极大简化了应用系统的外围配件，只需2条直流线缆即可取代传统21条(3相*7电机）交流驱动线缆，节约成本/体积并利于现场快速灵活的应用设计。

一体式伺服电机内部结构及原理示意图

主要分为以下几个部分：

• A. 电机——与传统永磁电机相同

• B. 码盘——采用新一代磁编芯片TL5109，体积小精度高

• C. 控制板——采用XMC4800作为主控制芯片，内部集成EtherCat等功能

• D. 驱动板——采用集成米勒钳位功能的驱动芯片（1EDI20I12MH), 可使用单电源供电来驱动SiC-MOSFET，简化电路设计

• E.功率板——选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET，采用铝基板传热至外壳

• F. 后壳——因整体耗散功率较小，增加少量的鳍片即可满足自然对流散热要求
  

SiC MOSFET的通态压降由其沟道的RDS(on）决定，而IGBT的通态压降由PN结和漂移区电阻构成。在电机驱动类应用中，通常负载电流区间小于器件的标称电流值，因此SiC MOSFET的导通损耗优于同等规格的IGBT器件。

SiC MOSFET开通关断速度均快于IGBT，且没有拖尾电流。常温下，SiC MOSFET的开通损耗约是同等规格IGBT的50%，关断损耗约是20%。值得注意的是，高温下SiC MOSFET开关损耗受结温的影响不大，而IGBT的开关损耗可能增加一倍以上。

CoolSiC™ MOSFET测试中表现出了优异的可控性，仅通过Rg阻值大小即可调节其开关速度，进而优化Eon，Eoff，dv/dt等指标。

基于伺服应用的实际工况，通过仿真软件模拟了周期性过载3倍额定电流输出下的损耗及温升，条件如下：

Vdc=800V，Uout=400V, 

Iout=20Arms，cosφ=0.8, 

fout=50Hz， fsw=20kHz，Th=110℃,

20% duty per second.

结果显示，每个SiC-MOSFET平均功耗约4.4W，每周期结温温升约35K，离Tvjmax=175℃仍有较大裕量。

根据损耗仿真的结果，可以按照30W的耗散功率通过下面公式来计算自然散热需要的鳍片个数（面积）： 

 S=Pavg/(h×∆T)

S：散热面积；Pavg：平均功耗

h：换热系数；∆T：平均温差

根据计算出的结果，来设计后盖的具体尺寸。最后将3D模型输入到热仿真软件中，结果如下：

• 在环温40℃下，外壳表面温度约70~80℃；

• 铝基板表面最高温度约113℃，此温度近似等同于Th温度。

因此，自然对流散热可满足SiC MOSFET器件的散热需求，无风扇设计也有助于提高系统可靠性。

原理样机设计

在实验室中，对电机施加模拟惯量负载，完成了电机的正反转极限加减速试验。试验中通过控制器分别给予时间宽度为150ms和50ms加减速信号，电机长期工作在正反转往复状态（正1500rpm-负1500rpm），其峰值电流分别达到了11A和28A，最大输出能力得到了验证。

本项目由英飞凌、晶川和迈信共同合作开发，感谢各方的努力付出。 

开发过程中的部分设计文档和测试报告，后期可以分享给英飞凌的客户使用。 

基于功率板和驱动板的评估套件正在准备中，后期可在英飞凌官网链接申请购买。

1.Infineon PCIM virtual booth 2020（2020.6.30~7.3）›7月3日13:30-14:00的演讲题目：CoolSiC™ MOSFET in SMD package for servo drives-A new level of simplicity and safety in high-voltage auxiliary circuitry.

2.PCIM Asia（已推迟到2020年11月）即将发表的文章<An integrated servo motor drive with self-cooling design using SiC -MOSFETs>

北京晶川电子：英飞凌IGBT等器件的主要代理商。在北京设有电力电子应用方案研发中心，IGBT应用可靠性实验室（办公面积超过5000平方米），致力于为客户提供有效的技术支持与售后技术服务。

武汉迈信电气：公司创立于2004年，以“迈信电气”为核心品牌，是一家专注于伺服仪器产品研究、开发、生产、销售为一体的高新技术企业。自成立以来，不断加大自主研发力度，目前已拥有多项自主知识产权，在伺服技术领域处于国内同行业领先地位。