文章 | 一种更快、更有效地将无刷直流电机设计推向市场的方式

PI电源芯片 2021-11-05 18:42

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案

注：原载于电子产品世界，2021年10月27日

作者 | Cristian Ionescu-Catrina

Power Integrations高级产品营销经理

电机是目前世界上最大的电力消耗者，并且占比非常大。荷兰能源研究中心(ECN)估计，全球发电量的45%是由电机消耗的。因此，为了推动效率的提高，各国正通过立法手段来提高电机的效率标准。2021年7月，欧盟开始实施“电机和变速驱动装置条例(EU) 2019/1781”，对之前被排除在标准之外的一些电机增加了最低效率限值，并缩短了为其他类型电机符合效率要求所预留的时间。此类法规显示的趋势很明显——所允许的最低效率将随着时间的推移不断提高。新的电机设计应尽可能的高效，以避免在其工作寿命结束前就被立法强制替换的风险。

这些法律涵盖了各种各样的电机，从基础设施泵中的大型电机到为PC风扇供电的微型电机。尺寸不是唯一的考虑因素，电机的类型也很重要。以前，有刷直流电机被广泛使用，但它们的效率相对较低，可靠性有限——电刷会随着时间的推移而磨损，需要更换。在各种运转速度和负载下，对更高的效率和更大的可靠性的需求，导致无刷直流(BLDC)电机在新设计中被广泛采用。

无刷直流电机不需要电刷和换向器之间的物理接触。这一步消除了摩擦引起的机械损耗，使无刷直流电机更适合长期使用。由于转子不需要供电，因此无需电刷和滑环，换向器组件也简化了结构。这也使得无刷直流电机在更小的封装内，每瓦特输出的扭矩比有刷直流电机更大。

无刷直流电机使用永磁体作为转子，它与定子线圈产生的电磁场相互作用。这些线圈以精确的模式导通和关断，以确保转子有效转动。这种模式由微控制器(MCU)算法决定，并使用嵌入电机的传感器提供实时反馈以实现精确控制。微控制器向开关发送信号，控制通过线圈的电流。尽管微控制器控制给电机驱动器增加了一些复杂性，但它提供了更大程度的灵活性和精确性。

由于有关电机效率的法规标准针对的是整个电机组件的运行情况，因此必须使每个阶段的运行达到最佳状态，以尽量减少整体损耗。这包括用于为电机供电的逆变器。逆变器的性能受到热量的限制。除了缩短逆变器的使用寿命外，当驱动器过热时，不良的热性能会阻止逆变器向电机驱动器提供足够的电流。解决散热问题的典型方法是使用散热片，或在某些情况下使用辅助风扇，但这两种解决方案都不太理想。两者都会加大电机尺寸和重量，这不利于实现电机小型化，并且会增加BOM物料数、增加设计复杂性并降低设计的机械强度。

BridgeSwitch电机驱动器

Power Integrations (PI) 在开发用于离线功率变换和栅极驱动的高度集成的高压IC方面拥有丰富的经验，能够从两个不同的方向解决这个问题。

第一个方法是提供一种有效的架构，最大限度地减少需要耗散的热量。
第二个方法是采用单独的IC分别驱动各个相的电机绕组，以提供一个可扩展的解决方案，其灵活性足以支持单相和多相电机。每个驱动器的损耗所产生的少量热量均匀分布于整个PCB上，而不是集中在某个集中发热点。

这就是PI的BridgeSwitch™系列集成半桥(IHB)电机驱动器，适用于驱动同步电机(无刷直流或永磁同步电机(PMSM))以及异步电机(例如交流感应电机)。

BridgeSwitch器件的效率可高达98.5%，适用于功率范围为30W(典型IRMS=0.2A)至400W(典型IRMS=1.1A)的逆变器设计。BridgeSwitch IC集成了下管和上管驱动器、控制器、电平变换器和两个N通道600V快速恢复外延型二极管FET(FREDFET)，并可提供无损耗的电流检测功能。FREDFET具有极快恢复的体二极管，使其成为驱动电感负载的理想选择。它们可显著降低开关损耗，并具有软恢复特性以减少EMI。

bridgeswitch schematic

BridgeSwitch IC可自行供电，允许使用更简单的系统供电电源(例如PI的LinkSwitch™-TN2)来驱动微控制器。可以使用小型非隔离驱动器，而不是传统设计中的多路输出隔离反激式方案，从而进一步缩减BOM、降低设计复杂性并减小电路板空间。内部还集成逆变器诊断功能，可减少所需的传感器数量和微处理器故障处理资源占比。BridgeSwitch IC集成了许多基于硬件的故障保护和外部系统级监测功能。这种硬件方案不仅能提供比软件保护更快的响应，而且由于该架构具有硬件方式实现的逐周期下管和上管过流保护以及板载监测功能，因此更容易通过UL/IEC60730认证。通过硬件方式实现这些功能，意味着满足UL/IEC 60730的软件要求从B级降低到A级，无需在软件更新后重新认证。

BridgeSwitch参考设计套件

为了让设计更快地推向市场，PI还为BridgeSwitch产品系列开发了多款无刷直流电机参考设计套件(RDK)。新的参考设计可提供高达400W的输出功率且无需散热片，能够支持具有更大RMS电流要求和高散热要求的应用，如压缩机、吸油烟机以及家用和商用风机和泵。

	RDK-851是一款使用BridgeSwitch IC BRD1260C的50W高压无刷直流电机控制设计，适用于风机应用。这种具有控制输入接口的三相逆变器可提供超过93%的效率。该设计采用直径为88mm的PCB。
	RDK-852是一款三相无刷直流电机驱动器，适用于高达200W的泵应用。该设计的PCB板尺寸为65mm x 50mm，并且使用BridgeSwitch IC BRD1263C，采用无传感器磁场定向控制(FOC)方法。这款效率高达97%的解决方案还使用LinkSwitch-TN2 IC (LNK3204D)为电流检测放大器供电，也可选择为BridgeSwitch器件提供外部偏置供电。
	RDK-853是一款非常出色的300W压缩机三相电机驱动解决方案，它在整个负载范围内的效率超过98%，并且采用95mm x 75mm的PCB。该方案使用BridgeSwitch IC BRD1265C和LinkSwitch-TN2 LNK3204D IC，它具有可提供瞬态相电流输出信号的信号接口并可为每个BridgeSwitch器件提供故障报告，从而支持任何微控制器实现无传感器FOC控制。
	PI还提供单相无刷直流电机驱动器参考设计。RDK-872是一款效率高达97%的70W设计方案。这款单相逆变器使用了两个采用薄型表面贴装封装的BridgeSwitch BRD1261C IC，其裸焊盘能够通过PCB进行散热。
	RDK-873是一款效率高达95%的30W紧凑型无刷直流电机驱动器。逆变器功率级使用两个BridgeSwitch BRD1260C电机驱动器IC，并且采用全桥逆变器设计。