【技术干货】更节省能源的新型、高效电机架构与解决方案

电机的应用范围从小型应用到重型应用，尤其是在工业应用中，工业电机驱动可说是当代全球工业的支柱，电机所消耗的电力几乎占所有工业应用中消耗的能源的三分之二。工业驱动可应用于众多任务业领域，包括流程自动化、风扇控制、液体和气体泵、机器人、物料搬运、机床、石油和天然气工业等。随着法规变得越来越严格，工业驱动追求大幅节能的必要性，变得越来越重要。其中的交流电机通常可以直接由交流电源驱动。然而，为了提高效率和卓越的控制，需要实施变频驱动（VFD）。

其中，使用变频驱动器（VFD）的工业驱动系统，比使用传统气阀控制的系统更高效。此外，在子系统中还需要使用的其他组件和技术，包括栅极驱动器、运算放大器、位置传感器、温度传感器，以及其他用于控制和传感的组件和技术，并通过使用现代半导体和新颖的电机架构，提高了电机驱动器的效率和使用寿命。

目前市面上三种最流行的电机类型是交流感应电机（ACIM）、永磁同步电机（PMSM）和无刷直流（BLDC）电机。另一方面，步进电机和伺服系统可用于精确定位和受控运动，广泛用于需要固定和定位的应用中。它们可用于为机器人手臂、装配线、升降辅助设备和其他类似应用提供动力，这些控制系统的特点是高精度和高重复性。

以安森美推荐的单相和三相交流电机解决方案为例，其电机驱动架构中的电网供电电机控制电路的总体架构由整流器、电源、传感、控制硬件和功率级等组成。整流器级负责将交流电（AC）转换为直流电（DC），这可以使用简单的二极管电桥来实现，但为了提高系统的效率和功率因数（从而降低无功功率），可以使用功率因数校正级。可选的DC-DC级用于将直流电压转换为电机所需的电压。辅助电源将交流输入或直流总线转换为不同的低电压，以供应控制硬件（MCU、存储器、接口等）以及栅极驱动器。

制动电路用于在减速期间耗散能量，当电机与电源断开时，它开始充当发电机。动态制动利用与功率开关（通常是IGBT）串联的制动电阻来消耗电机的功率。逆变器由将功率传输到电机的功率开关组成，根据功率级别，它们可以是Si MOSFET、IGBT或碳化硅（SiC）MOSFET。它们可以是分立的，采用电源模块或具有集成栅极驱动器的模块形式。

为了进行精确的电子换向，需要确定转子的位置。传统上，这是通过利用霍尔传感器来实现的。更新颖的解决方案使用光学或电感传感器，而一些解决方案则跳过传感器并测量反电动势。当需要知道转子的准确位置时，NCS32100等电感式位置传感器在启动期间特别有用。位置有可能在停机期间发生改变，因此系统无法依赖最后的已知状态。

安森美的NCS32100电感式传感器可用于计算位置和速度，其采用绝对编码器，无需移动即可确定其位置，支持6,000 RPM全精度（45,000最大RPM），以及±50角秒（0.0138度）或38毫米传感器的更高精度，并可以区分并抑制旋转运动产生的振动，集成CortexM0+ MCU，具有高度可配置性，是适用于各种光学编码器的更便宜替代品。

功率因数校正（PFC）级是一个AC/DC转换器，其目标是调整输入电流以匹配输入电压的形状，这减少了谐波并提高了效率。安森美的功率因数控制器NCP1681是一款无桥图腾（Totem）多模式PFC控制器，具有恒定导通时间CrM和谷值开关频率折返的固定频率CCM（恒定导通模式），以及专有的电流检测方案、专有的谷感方案，拥有高功率的理想选择，支持高达1kW的多模式应用，CCM >2.5kW，采用SOIC-20封装。

安森美还推出多款逆变开关及解决方案，电机控制系统可以使用分立组件（IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、二极管、栅极驱动器等）或集成多个部件的功率模块来设计。这些模块可以在一个封装中集成三相半桥、单半桥，甚至包括制动器、PFC或栅极驱动器。功率模块可分为功率集成模块（PIM）和智能功率模块（IPM），与分立解决方案相比，模块的使用具有许多优势，由于模块集成了电源组件以及保护功能（例如UVLO、短路保护、热传感等），因此它们减少了所需的空间，并且由于经过全面测试而更加可靠。

IGBT是高压应用的最佳选择，因为与Si MOSFET 相比，它们在同等材料厚度下可提供更高的阻断电压，IGBT开关是具有成本效益的主流解决方案。安森美新系列的1200 V Trench Field Stop VII IGBT，适用于电机控制应用的低V_CE(SAT)类型，增加可处理的功率并减少因热量产生的功率损耗，从而改善冷却，改进了高频操作的寄生电容，坚固耐用，1200V Gen7二极管可实现低 V_F 和柔软度，较低的压降可降低传导损耗，柔软度是指二极管的反向恢复，反向恢复越软，噪声和电磁干扰（EMI）问题就越少。

另一款IGBT FGY100T120RWD是FS7系列的1200V、100A IGBT，集成了Gen7二极管，V_CE(SAT) = 1.4V，T_jmax = 175℃，支持正温度系数，易于并联运行，具有低传导损耗和优化的电机控制应用开关。

SiC MOSFET则可为需要高电压和高频的应用提供最佳性能，具有较高的电子迁移率、较低的本征载流子浓度和较高的导热率。安森美的EliteSiC MOSFET的击穿电压范围为650V至1700V，由于采用特殊的平面设计，所有EliteSiC SiC MOSFET系列在整个生命周期内都不会出现R_DS(ON)、V_TH或二极管正向电压漂移。

安森美的SiC MOSFET NTH4L014N120M3P是一款来自新型1200V M3P系列的EliteSiC MOSFET，I_D = 152 A，采用TO-247-4L封装，具有低开关损耗，典型的E_ON为1308 µJ（74 A、800 V），R_DS(ON)=14 mΩ @V_GS=18 V，超低栅极电荷为(Q_G(TOT))=137 nC，具有高速开关、低电容（C_OSS=146 pF）的特性。

另一款SiC MOSFET NTH4L023N065M3S是来自新型650V M3S系列的EliteSiC MOSFET，可改善开关损耗，并针对高温操作进行了优化，R_DS(ON)=22.6 mΩ @V_GS=18 V，与超低栅极电荷(Q_G(TOT))=87 nC，具有高速开关、低电容（C_OSS=153 pF）的特性，采用TO-247-4L封装。

智能功率模块（IPM）是目前集成度最高的功率开关，该开关可以是IGBT或Si MOSFET。它是电机控制应用的热门选择，因为它能够在单个封装中包含整个逆变器和PFC级，其他优点包括EMI改进、空间优化和更简单的热设计。

安森美的智能功率模块NFCS1060L3TT是一款将PFC和逆变器完全集成在一个封装中的产品，包括PFC SJ MOSFET、六个驱动IGBT，支持600V、10A，内置过流和跨导保护，内置自举二极管和NTC，可减小PFC电感器尺寸，简化的散热器设计，降低电磁干扰。

另一款智能功率模块NFAM3065L4B可用于ACIM/BLDC/PMSM的高性能输出级，集成高侧和低侧栅极驱动器、六个IGBT，支持650V、30A，内置过流和低电压保护、热监控和温度传感器，可降低EMI和损耗。

安森美还提供采用SiC MOSFET和IGBT技术的功率集成模块（PIM），它们可以改进设计，并且可以在高达1200V的电压下使用，由于其高电压、高电流能力和较低的成本，IGBT器件仍然是主要选择，SiC器件则可提供最佳性能和功率密度，并且正在迅速得到采用。PIM可以在一个封装中包含半桥、全桥甚至整个三相逆变器，使用模块大大减少了设计时间、冷却尺寸并提高了整体集成度。

安森美的NXH800H120L7QDSG是一款额定电压为1200V、800A的IGBT半桥功率模块，采用PIM11（QD3）封装，及全新Field Stop Trench 7 IGBT技术和Gen. 7二极管，可提供更低的传导损耗和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和卓越的可靠性，包含NTC热敏电阻与低电感布局。

NXH006P120M3F2PTHG则是一款采用F2封装的1200V SiC半桥模块，采用M3 EliteSiC技术在V_GS=18V、I_D = 100A时提供典型R_DS(ON) = 6 mΩ，包含热敏电阻，采用HPD直接键合铜基板。

安森美还推出由PLECS®提供支持的Elite电力模拟器，PLECS是一款系统级模拟器，可通过优化的器件模型促进完整系统的建模和仿真，以实现最大速度和精度。此外，安森美还提供业界首款自助式PLECS模型生成器，允许用户创建可在Elite电力模拟器中使用的自定义模型。PLECS还提供一系列适用于工业电机控制的逆变器拓扑，包括半桥、全桥和三相逆变器。

另一方面，MOSFET和IGBT必须由栅极驱动器驱动，因为MCU或控制器无法直接驱动它们。栅极驱动器可以是单个半桥，驱动一个高侧和一个低侧开关，也可以包含三个半桥栅极驱动器，控制所有三个电机相位。安森美产品组合中的许多栅极驱动器支持外部负偏压，其中使用外部电路为栅极驱动器提供负偏压。新型NCP51752系列具有内部负偏压，可节省系统成本，因为系统无需向栅极驱动器提供负偏压轨。安森美还推出一系列的EliteSiC MOSFET产品组合和相应的隔离式栅极驱动器，可满足客户多方面的需求。

随着全球对于节能减排需求的提升，新型高效电机架构和解决方案成为了能源转型中的关键环节。这些技术不仅提高了能源使用效率，降低了运营成本，更减少了对环境的影响。同时，通过智能控制、先进材料和创新的设计，这些电机实现了更灵活的运行和更稳定的性能。安森美可提供完整的电机驱动与控制解决方案，将是您开发相关应用的最佳合作伙伴。