電機(jī)在未來仍將廣泛使用。從小型家電到工業(yè)制造，再到重型機(jī)械，電機(jī)功能豐富，幾乎無所不在。電機(jī)約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機(jī)能效顯得愈發(fā)關(guān)鍵。為此就需要開發(fā)先進(jìn)的控制算法，采用新型高效電機(jī)結(jié)構(gòu)，并引入現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)。本文為工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)白皮書的第二部分，主要介紹方案概述等。

方案概述

頂層拓?fù)?/p>

下面的框圖代表了安森美(onsemi)推薦的單相和三相交流電機(jī)方案。

安森美方案包含了大多數(shù)功能塊器件， 如下面的器件表所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

電網(wǎng)供電的電機(jī)控制電路總體架構(gòu)由以下要素組成：整流器、 電源、 檢測、 控制硬件和功率級。

整流器級負(fù)責(zé)將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)。這可以利用簡單的二極管橋來實(shí)現(xiàn)， 但為了提高系統(tǒng)的能效和功率因數(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(jī)所需的電壓。輔助電源將交流輸入或直流母線轉(zhuǎn)換為不同的低電壓， 從而為控制硬件(MCU、 存儲器、 接口等) 和柵極驅(qū)動(dòng)器供電。

制動(dòng)回路用于在減速過程中耗散能量。與電源斷開連接時(shí)， 電機(jī)開始作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)制動(dòng)利用與功率開關(guān)(通常是 IGBT) 串聯(lián)的制動(dòng)電阻來耗散電機(jī)的功率。

逆變器由功率開關(guān)構(gòu)成， 后者負(fù)責(zé)將功率傳輸至電機(jī)。根據(jù)功率水平需求， 可以利用 Si MOSFET、 IGBT 或碳化硅 (SiC)MOSFET， 將功率開關(guān)設(shè)計(jì)為分立式、 功率模塊式或集成柵極驅(qū)動(dòng)器的模塊。

為了準(zhǔn)確執(zhí)行電子換向， 必須確定轉(zhuǎn)子的位置。傳統(tǒng)上， 這是利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的。更新穎的方案用到了光學(xué)或電感傳感器， 而有些方案則跳過傳感器， 直接測量反電動(dòng)勢。電感式位置傳感器(如 NCS32100) 在啟動(dòng)過程中尤其有用， 可以提供所需的轉(zhuǎn)子精確位置。在停機(jī)期間， 轉(zhuǎn)子位置可能會發(fā)生變化， 因此其最后已知狀態(tài)是不可靠的。

電感式檢測 NCS32100

? 計(jì)算位置和速度

? 絕對編碼器 - 無需移動(dòng)即可確定位置

? 6,000 RPM 全精度(最大 45,000 RPM)

? 對于 38mm 傳感器，精度為 +/- 50 角秒(0.0138 度)或更高 - 參見圖 11

? 可以區(qū)分并抑制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)

? 集成 CortexM0+ MCU – 高度可配置

? 為廣泛的光學(xué)編碼器提供成本更低的替代方案

圖 1：三相電機(jī)分立式控制和功率級功能塊原理圖示例

功率因數(shù)校正

功率因數(shù)校正 (PFC) 級是一個(gè) AC-DC 轉(zhuǎn)換器， 用于整形輸入電流， 使之匹配輸入電壓的形狀。這樣做可減少諧波并提高能效。

PFC 級的實(shí)現(xiàn)方式通常是在整流橋和輸入電容之間插入升壓轉(zhuǎn)換器級。在單相應(yīng)用中， 可以使用交錯(cuò)式升壓(圖 2) 或圖騰柱 PFC。根據(jù)所使用的控制器和導(dǎo)通模式， 這些拓?fù)渫ǔ？捎糜诟哌_(dá) 2 kW 的功率。

圖騰柱 PFC(圖 4) 用有源開關(guān)取代橋式二極管， 以減少損耗。圖騰柱 PFC 級由快橋臂和慢橋臂組成， 前者以 100kHz 或更高的頻率切換， 而后者以市電頻率切換。在快橋臂中， 寬禁帶半導(dǎo)體是理想選擇， 能夠支持更高的開關(guān)頻率，從而可以減小無源器件的尺寸。慢橋臂開關(guān)可以使用 IGBT。

對于三相高功率應(yīng)用， Vienna 整流器、 有源前端或集成 PFC 的功率模塊是理想選擇。Vienna 整流器(圖 3) 能效高，但由于所需功率開關(guān)數(shù)量較多且控制更復(fù)雜， 所以成本較高。欲進(jìn)一步了解 AC-DC 拓?fù)洌?請參閱揭秘三相有源前端或功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)洹?/p>

圖 2：單相雙通道交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器

圖 3：三相 Vienna 整流器

功率因數(shù)控制器 NCP1681

無橋圖騰柱多模式 PFC 控制器

? 固定頻率 CCM(恒定導(dǎo)通模式)，具有恒定導(dǎo)通時(shí)間CrM 和谷底開關(guān)頻率折返功能

? 專有電流檢測方案

? 專有谷底檢測方案

? 非常適合高功率：多模式應(yīng)用，功率可高達(dá) 1kW，CCM >2.5kW

? SOIC-20 封裝

圖 4：圖騰柱 PFC 原理圖

逆變器開關(guān)和方案

電機(jī)控制系統(tǒng)可以采用分立器件(IGBT、 Si MOSFET、 SiC MOSFET、 二極管、 柵極驅(qū)動(dòng)器等) 或集成多個(gè)器件的功率模塊來設(shè)計(jì)。這些模塊可以集成三相半橋或一個(gè)半橋， 甚至在一個(gè)封裝中包含制動(dòng)器、 PFC 或柵極驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體應(yīng)用、 所需功率和電機(jī)電壓， 從圖 5 中選擇合適的安森美功率開關(guān)。采用 IGBT 或 SiC 的分立方案可用于最高約 5 kW 的單相應(yīng)用。功率模塊可分為功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊(IPM) 兩種。與分立方案相比， 使用模塊具有許多優(yōu)勢。

圖 5：基于所需功率水平和母線電壓的推薦逆變器方案

模塊集成了功率器件和保護(hù)功能(例如欠壓鎖定、 短路保護(hù)、 熱檢測等) ， 并且經(jīng)過了全面測試， 因此所需空間更小且更加可靠。安森美提供 SiC 和 IGBT 模塊， 以及多種封裝、 拓?fù)浜吞匦赃x項(xiàng)。

功率集成模塊將分立輸出級和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器集成到單個(gè)器件中。一些 PIM 還集成了制動(dòng)器， 因此被稱為轉(zhuǎn)換器-逆變器-制動(dòng)器 (CIB) PIM。PIM 仍然需要單獨(dú)且合適的柵極驅(qū)動(dòng)器。

智能功率模塊除了逆變器級之外， 還包含柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。使用此類模塊可大幅減小系統(tǒng)尺寸并加快產(chǎn)品上市。圖 6 為安森美 IPM 及其要素的示例。

圖 6：安森美智能功率模塊的集成度

IGBT

與 Si MOSFET 相比， IGBT 在同等材料厚度下的阻斷電壓更高， 因此非常適合高壓應(yīng)用。IGBT 開關(guān)是高性價(jià)比的主流方案。其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率可能較低， 這意味著需要使用較大的電感器。IGBT 長期用于驅(qū)動(dòng)頻率最高達(dá) 20 kHz 的電機(jī)。

場截止 VII、 IGBT、 1200V

? 全新 1200 V 溝槽場截止 VII IGBT 系列

? 低 VCE(SAT) 型適合電機(jī)控制應(yīng)用 - 提高可處理的功率并減少以熱量形式產(chǎn)生的功率損耗， 從而改善散熱

? 改善了寄生電容， 適合高頻操作， 經(jīng)久耐用

? 1200V 第七代二極管實(shí)現(xiàn)了低 VF 和出色軟度 - 壓降較低有助于降低導(dǎo)通損耗;軟度指的是二極管的反向恢復(fù)， 反向恢復(fù)越軟， 噪聲和電磁干擾 (EMI) 問題就越少

二極管軟度定義為二極管恢復(fù)軟度因子 (RRSF)，

其中， dIrise/dt 為關(guān)斷過程中反向電流從 0 上升到峰值的最大斜率， difall/dt 為反向電流從峰值下降到 0 的最大斜率。如圖 7所示， 最新第七代二極管的軟度為 5， 比上一代提高了三倍。

圖 7：第七代與上一代二極管的軟度對比

IGBT FGY100T120RWD

? FS7 系列 1200V、 100A IGBT

? 集成第七代二極管

? VCE(SAT) = 1.4V， Tjmax = 175°C

? 正溫度系數(shù)，輕松支持并聯(lián)操作

? 低導(dǎo)通損耗和優(yōu)化的開關(guān)，適合電機(jī)控制應(yīng)用

圖 8：FS7 系列 1200V IGBT 的開關(guān)損耗

碳化硅 MOSFET - EliteSiC 技術(shù)

對于需要高電壓和高頻率的應(yīng)用， SiC MOSFET 是理想選擇。碳化硅是一種寬禁帶半導(dǎo)體。這種材料兼具許多優(yōu)異的固有特性， 例如電子遷移率更高、 本征載流子濃度更低和熱導(dǎo)率更高。材料之間的對比參見表 1。與硅相比， SiC MOSFET 電流密度更高， 開關(guān)損耗更低， 散熱系統(tǒng)更簡單。采用 SiC 技術(shù)的系統(tǒng)導(dǎo)通損耗較低， 因此能效更高。

EliteSiC 是安森美 SiC 技術(shù)的品牌名稱。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(jì)， 所有 EliteSiC SiC MOSFET 產(chǎn)品系列在整個(gè)生命周期內(nèi)的 RDS(ON)、 VTH 或二極管正向電壓均無漂移。

SiC MOSFET NTH4L014N120M3P

? 全新 1200V M3P 系列 EliteSiC MOSFET，ID = 152 A，采用 TO-247-4L 封裝

? 低開關(guān)損耗 - 典型EON 1308 μJ(74 A、 800 V 時(shí))

? RDS(ON)=14 mΩ @VGS=18 V

? 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC

? 高速開關(guān)和低電容(COSS=146 pF)

圖 9：TO-247-4L 封裝

表 1：硅與碳化硅材料特性對比

SiC MOSFET NTH4L023N065M3S

? 全新 650V M3S 系列 EliteSiC MOSFET

? 開關(guān)損耗更低

? 針對高溫運(yùn)作進(jìn)行了優(yōu)化

? RDS(ON)=22.6 mΩ @VGS=18 V

? 超低柵極電荷 (QG(TOT))=87 nC

? 高速開關(guān)和低電容全新 650V M3S 系列 EliteSiC MOSFET (COSS=153 pF)

? TO-247-4L 封裝

圖 10：V DC=400V、 V GS=18/-3V、 R G=4.7Ω 時(shí)總開關(guān)損耗對比

智能功率模塊

智能功率模塊 (IPM) 是目前市場上集成度較高的功率開關(guān)， 可采用 IGBT 或 Si MOSFET 設(shè)計(jì)， 能夠在單個(gè)封裝中包含整個(gè)逆變器和 PFC 級， 因此是電機(jī)控制應(yīng)用的熱門選擇。其他優(yōu)勢包括 EMI 性能改進(jìn)、 空間優(yōu)化和更簡單的熱設(shè)計(jì)。圖15 為安森美 IPM 產(chǎn)品組合的亮點(diǎn)。

智能功率模塊NFCS1060L3TT

? 在一個(gè)封裝中全整合 PFC 和逆變器級

? 包含 PFC SJ MOSFET、六個(gè)驅(qū)動(dòng) IGBT

? 600V、 10A

? 內(nèi)置過流和交叉導(dǎo)通保護(hù)

? 內(nèi)置自舉二極管和 NTC

? PFC 電感器尺寸更小

? 散熱器設(shè)計(jì)更簡單

? 低 EMI

智能功率模塊NFAM3065L4B

? 適用于 ACIM/BLDC/PMSM 的高性能輸出級

? 集成高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器、六個(gè) IGBT

? 650V、 30A

? 內(nèi)置過電流和低壓保護(hù)、熱監(jiān)測

? 內(nèi)置溫度傳感器

? 低 EMI 和損耗

圖 11：安森美的各種 IPM 封裝

圖 12：安森美 IGBT IPM 產(chǎn)品組合

功率集成模塊 (PIM)

安森美提供采用 SiC MOSFET 和 IGBT 技術(shù)的功率集成模塊。這些模塊有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)， 最高支持 1200V 電壓。

IGBT 器件的主要缺點(diǎn)是開關(guān)速度低， 不過這在電機(jī)控制應(yīng)用中不那么重要， 且得益于高電壓、 大電流能力和成本較低等優(yōu)勢， 此類器件仍然是優(yōu)選。

SiC 器件因出色的性能和功率密度而迅速普及。SiC 功率器件的開關(guān)損耗更低， 因此可以提高能效、 降低散熱要求， 或可用于提高開關(guān)頻率、 減小無源元件的尺寸和成本， 從而彌補(bǔ) SiC 功率器件成本較高的缺點(diǎn)。

一個(gè) PIM 封裝中可以包含半橋、 全橋甚至整個(gè)三相逆變器。使用模塊可大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、 減小散熱器尺寸， 提高整體集成度。

表 2：適用于電機(jī)控制的功率集成模塊

NXH800H120L7QDSG 是一款額定電壓為1200V、 額定電流為 800A 的 IGBT 半橋功率模塊。PIM11 (QD3) 封裝。

? 新的場截止溝槽 7 IGBT 技術(shù)和第 7 代二極管可提供更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和優(yōu)異的可靠性。

? 包含 NTC 熱敏電阻

? 低電感布局

圖 13：左邊為 NXH800H120L7QDSG原理圖，右邊為 PIM11 封裝

NXH006P120M3F2PTHG 是一款采用 F2封裝的 1200V SiC 半橋模塊。

? 在 VGS = 18V、 ID = 100A 時(shí)， M3 EliteSiC 技術(shù)的 RDS(ON) 典型值 = 6 mΩ。

? 包含熱敏電阻

? HPD 直接鍵合銅襯底

圖 14：左邊為 NXH006P120M3F2PTHG原理圖，右邊為 F2 封裝

由 PLECS 提供支持的 Elite Power 仿真工具

PLECS 是一種系統(tǒng)級仿真工具， 可通過優(yōu)化的器件模型促進(jìn)完整系統(tǒng)的建模和仿真， 盡可能地提高速度和精度。

PLECS 不同于基于 SPICE 的電路仿真工具， 后者更側(cè)重于電路元件的低層行為。PLECS 模型稱為“熱模型” ， 包含導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的查找表及熱鏈。在仿真過程中， PLECS 采用插值和外推法， 通過損耗表來確定與電路運(yùn)行相關(guān)的偏壓點(diǎn)導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

Elite Power 仿真工具提供廣泛的 AC-DC、 DC-DC 和 DC-AC 拓?fù)洹４送猓?安森美還提供引領(lǐng)行業(yè)的 PLECS 模型自助生成工具， 讓用戶可以創(chuàng)建在 Elite Power 仿真工具中使用的自定義模型。

圖 15：Elite Power 仿真工具中的三相兩電平逆變器拓?fù)?/p>

圖 16：IGBT 導(dǎo)通開關(guān)損耗 (75°C)

PLECS 提供一系列適用于工業(yè)電機(jī)控制的逆變器拓?fù)洌?包括半橋、 全橋和三相逆變器。

選擇所需的拓?fù)浜螅?用戶可以修改電路的額定電壓和功率并選擇功率開關(guān)。目前， PLECS 僅限于 SiC MOSFET 和功率模塊、 FS7 IGBT 和 T10 硅 MOSFET。然后， 用戶可以在圖表(圖 16) 和表格中查找器件的損耗和熱數(shù)據(jù)。

仿真結(jié)果(圖 17 和 23) 可以保存， 并與先前采用不同參數(shù)或器件的仿真進(jìn)行比較。仿真數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出并進(jìn)一步評估。

圖 17：開關(guān)結(jié)溫比較 (75°C)

圖 18：損耗分解 (75°C)

柵極驅(qū)動(dòng)器

MOSFET 和 IGBT 無法由 MCU 或控制器直接驅(qū)動(dòng)， 所以必須借助柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。柵極驅(qū)動(dòng)器可以是單個(gè)半橋， 驅(qū)動(dòng)一個(gè)高側(cè)開關(guān)和一個(gè)低側(cè)開關(guān)， 也可以包含三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器， 控制所有三個(gè)電機(jī)相。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可以防止形成接地環(huán)路， 避免引起噪聲， 推薦用于高功率應(yīng)用。當(dāng)兩個(gè)電路的接地電位不同時(shí)， 系統(tǒng)就會有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。隔離有助于防范事故并安全地承受高壓浪涌， 避免損壞設(shè)備或造成人員受傷。此外， 隔離還有助于保護(hù)控制系統(tǒng)， 并有助于改善與高壓方案中高側(cè)器件的通信。

表 3：推薦柵極驅(qū)動(dòng)電壓

柵極驅(qū)動(dòng)器的工作電壓由功率開關(guān)的規(guī)格決定。正電壓必須足夠高， 以確保柵極完全導(dǎo)通。此外， 必須確保不超過器件的最大柵極電壓。0V 柵極電壓一般可以使所有器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

在關(guān)斷階段使用負(fù)偏壓可以降低 SiC MOSFET 的開關(guān)損耗， 這也有助于防止關(guān)斷過程中意外導(dǎo)通。安森美產(chǎn)品組合中的許多柵極驅(qū)動(dòng)器支持外部負(fù)偏壓， 也就是使用外部電路為柵極驅(qū)動(dòng)器提供負(fù)偏壓。全新NCP51752系列內(nèi)置了負(fù)偏壓， 系統(tǒng)不必向柵極驅(qū)動(dòng)器提供負(fù)偏壓軌， 因而能夠節(jié)省系統(tǒng)成本。

表 4：安森美 EliteSiC MOSFET 產(chǎn)品組合和相應(yīng)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器