电机在我们的生活中无处不在。每当需要控制物理运动时，就会有一个电机来完成工作。所有家电、门禁产品、电动工具、机器人、电梯、汽车、风扇和鼓风机、泵等都有使用电机，例如，空调至少有四个电机，它们分别位于压缩机、冷却液泵、室内风机和进行热交换的室外风扇。
电机系统设计挑战
正因为电机产品应用广泛，它的能耗问题也越来越受到关注。据统计，电机消耗的电能约占全社会总发电量的50%以上，占工业总耗电的75%以上。世界各国政府和国际组织公认中小型电机具有巨大的节能潜力，为此对电机系统的节能给予了高度重视。
而解决电机能耗问题就是要提高其效率。Power Integrations市场营销副总裁Doug Bailey表示：“效率是目前电机控制系统设计所面临的主要挑战，且必须在整个负载范围内加以考虑。”
另外，近年来，对电机更高效率的需求已经从IGBT转向MOSFET。作为一种双极器件，IGBT总是会因电流流动时的固定压降而导致功率损耗。如典型器件的压降为2V，因此在10A电流下，必须耗散20W的功率。对此，能做的确实已经不多。而对于MOSFET而言，效率由电阻RDS(ON)决定。通过使用更大型号的器件（更大的硅片面积），可以最大程度降低功率损耗。
Doug Bailey也表示：“在整个负载范围内考虑电机效率，不仅取决于驱动器的选择，还取决于使用的软件。仅仅选择低成本的半桥IC已经不够了，还必须考虑完整的解决方案。而当涉及复杂的软件时，可靠性和安全性可能会成为电机控制设计的一个更大的挑战。”
为了应对上述这些电机控制设计挑战，Power Integrations推出了BridgeSwitch™-2。据Doug Bailey介绍，适用于高达746W应用的BridgeSwitch™-2 BLDC（无刷直流）电机驱动器IC，可将逆变器变换效率提升至99%，且集成了硬件短路和过温关断保护功能，可简化软件安全认证过程。另外在Power Integrations的MotorXpert软件包的支持下，BridgeSwitch-2 IC可使用IEC60335-1 A类控制软件，从而将认证时间缩短两个月。
MotorXpert是基于GUI的软件工具，它大大简化了设计过程，可优化电机工作架构，无需重复更新固件。此外，MotorXpert是根据MISRA-C指南编写的，旨在简化认证，并确保软件可靠、耐用和安全。
电机控制在新能源汽车中的应用
新能源汽车(xEV)在近几年取得了长足的发展，它也推动了对于功率器件需求的增长。Doug Bailey表示：“在新能源汽车中，碳化硅(SiC)器件正在取代IGBT，因为宽禁带（WBG）技术可提供更高的效率和更强的性能。然而，另一项WBG技术氮化镓也正在迎头赶上。”
据研究机构TrendForce报告显示，2023年全球氮化镓（GaN）功率元件市场规模约2.71亿美元，到2030年有望上升至43.76亿美元，复合年均增长率达49%。
而且，Doug Bailey认为，在不久的将来，氮化镓(GaN)会把电压推到更高水平。目前，应用最普遍的汽车母线电压为400V，但正在向800V转变，以实现更快的充电速度和更大的续航里程。未来，还可能会出现更高的母线电压，特别是在公共交通和工业车辆中。
随着更高电压GaN器件的出现并符合汽车用途的要求，它们将能够提供800V及更高电压母线系统所需的工作裕量。这将使基于SiC的系统在低成本IGBT解决方案和高性能GaN设计之间受到挤压。而且，GaN的制造技术也较SiC更为简单。
Power Integrations在去年推出了额定耐压1250V的工业级GaN器件，专有的1250V PowiGaN技术的开关损耗不到相同电压下同等硅器件开关损耗的三分之一。这使得功率变换的效率可以达到93%，进而有助于实现高紧凑度的反激式电源设计。在高达85W输出功率的情况下无需散热片。
电机控制技术未来发展趋势
提高效率仍然是电机控制技术发展的主要趋势。为此，电机应用也收到了包括中国能源委员会、欧盟行为准则、美国能源之星等国际能效监管机构日益严格的审查。为了能够在整个负载范围内实现高效率，就需要将出色的硬件和软件结合起来。
另外，为了使无刷直流电机的效率更高、稳定性更好以及使用寿命更长，由于双极IGBT中的压降是不可避免的，因此会过渡到MOSFET技术。而为了最大限度地发挥MOSFET驱动器技术的优势，设计时也不需要考虑整个系统，以及软硬件结合的解决方案。Doug Bailey表示：“使用MOSFET代替IGBT是提高电机性能的基础。”
写在最后
提高电机产品的效率将是行业永恒的追求，但仅依靠硬件的提升已经很难，必须在设计时考虑整个系统，需要有与硬件相匹配的有效软件解决方案。
Power Integrations的BridgeSwitch-2和MotorXpert™软件套件就是很好的软硬件结合的代表，它在将无刷直流电机逆变器睡眠模式功耗降低至10mW以下，输出功率扩展至1马力，可以很好满足各项能源法规，缩短产品的认证时间，可以实现更高效率、更低能耗的电机控制设计。
END
