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无刷电机IPM模块存在哪些问题?高效逆变器驱动

所属分类:凤凰彩票平台新闻 发布时间:2019-02-13 12:42 作者:凤凰彩票_凤凰彩票 文章来源:凤凰彩票平台

  无刷电机(BLDC)能效更高、动态性能更出色和运行噪声更低,已成为电机驱动设计的必然趋势,但与此同时,高压电机IPM模块存在散热等许多问题,需要采用新的逆变器驱动IC进行替代。

  由于世界各国不断关注节能问题,使节能型消费类产品的需求持续上升,尤其是电冰箱、洗衣机和空调等白家电产品。除了节能,白家电设计的挑战包括尺寸、散热、可靠性、噪声及外观设计等。

  而这些都与电机技术息息相关,Power Integrations(PI)公司资深技术培训经理阎金光表示,电机几乎消耗了全球50%的能源,另一方面由于存在EMI、效率低、寿命短,并且不适用于高速场景,因此无刷电机将逐渐替代有刷电机,在白家电设计中应用越来越广泛。

  据了解,目前市场上许多新型的节能洗衣机就采用了BLDC变频电机,效率高达80%,比普通电机提升40%,在节能方面秒杀普通电机,同时降噪非常明显,BLDC变频电机可以把噪音降低15%。

  数据显示,2017年全球BLDC市场为301亿美元,较2016年成长12.8%。据统计,高档电冰箱中可能会使用5个或以上电机,空调的室外机及室内机各使用2个,洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也会使用2个电机。

  在接受《半导体器件应用》记者采访时,阎金光认为无刷电机是非常巨大的增量市场,预计未来70-80%的应用都将采用无刷电机。

  他引用数据表示:“2018-2023年,空调无刷电机的年复合增长率降到8%,将是应用最多的市场。而‘制湿型’家电、‘制冷型’家电、电风扇和工业用泵的年复合增长率将分别达到11%、17%、20%和15%。”

  为了高效地驱动工业、家用电器的电机,业界开发了变频器技术。该需要用到IGBT、快速恢复二极管(FRD)等功率器件,以及控制IC和无源元件。而智能功率模块(IPM)将这些元器件高密度贴装封装在一起,运行可靠性高、功能强大,并具有自诊断和保护功能,因此被广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源。

  然而,近日PI公司却发布了BridgeSwitch™集成半桥电路(IHB)的电机驱动器IC产品系列,希望解决IPM模块所存在问题。

  据阎金光介绍,PI这款新产品想解决IPM模块所存在的问题,从而节省能源和空间,精简BOM,同时帮助应用厂商轻松符合安全标准,并且简化电路和缩短开发时间。

  据其介绍,IPM模块通常采用MOSFET或者IGBT。而由于IGBT需要附加二极管,因此存在低压降和关断拖尾电流问题,产生较大的关断损耗,从而会影响工作效率,这会导致IPM模块会产生局部集中发热现象,从下图可知,最高温度将达到118摄氏度,远超PCB板承受范围,因此IPM模块通常需要附加散热片进行散热。

  因此,急需提升电机逆变器效率。阎金光认为,即使很小的逆变器效率改善也对节能有显著的影响。

  他向《半导体器件应用》记者介绍了PIN=260W的应用案例。当电机逆变器效率为97%时,功耗为7.8W,但是当效率提升1%达到98%时,功耗降低为5.2W,从而节省了2.6W功的功耗。

  而BridgeSwitch IC内部集成了两个性能加强的FREDFET(具有快恢复外延型二极管的场效应晶体管)分别用于半桥电路的上管和下管,且具有无损耗的电流检测功能,可使300 W以内的无刷直流(BLDC)电机驱动器应用中的逆变器转换效率达到98.5%。

  据其介绍,采用快恢复外延型二极管场效应晶体管(FREDFET)可得开关效率最大化。因为相线绕组去磁过程期间的体二极管导通,每个开关周期都会产生损耗,而FREDFET极低的QRR和软恢复特性,可以实现开关损耗降低,EMI更低,这是因为精确控制的开关电压变化速率,以及<3V/ns的速率降低了EMI。

  一方面,它能使得发热降低33%,而且能使器件封装温度从100℃下降至80摄氏度。因此,PI的IHB架构将热量均分到不同的器件上,可以减少系统中集中发热的现象,从而可以利用PCB进行散热降低了散热成本,节省系统成本,大幅增强可靠性,减小焊点的机械应力。

  而无需散热器的设计,还可以带来另一个好处——可以节省跌落测试环节的认证费用和时间,加快产品开发速度。

  另一方面,随着欧美节能法规日趋严格,比如TEC法规要求将待机功耗的占比提升至65%,这对家电产品的效率提成了更严苛的要求。因此,采用BridgeSwitch™集成半桥电路可以帮助用户以更低的成本、更短的时间满足安规方面的要求。

  还有,节能法规趋严会导致家电产品在添加物联网等功能时,就像带着镣铐跳舞,而采用BridgeSwitch™节省下来的1%效率,不仅可以满足高效节能的标准,还可以用来增加新的功能。

  据阎金光介绍,传统的IPM方案中包含保护特性的软件,因此需要满足Class B认证要求,认证费用昂贵且费时,而且后期任何软件更新均需重新认证,对于采用OTA技术的软件更新需要重新进行额外的软件完整性校验。

  而PI公司的IHB内建了以硬件方式实现的过流保护,独立的逐周期下管和上管过流保护,电机工作异常时仍能可靠动作,简化软件成本,降低研发时间。阎金光还强调,由于采用了硬件保护机制,数据量得到大幅减少,因此无刷电机还可以选择更为便宜的MCU进行控制。

  由于IPM的使用过程中会产生各种故障,然而,IPM方案通常pin脚有限,无法通过功能测试的方法快速定位失效位置。

  而BridgeSwitch™具有内置的器件保护和系统监测特性,同时具备一个可靠的单线接口用以进行工作状态的更新,在电机微处理器和多达三个BridgeSwitch器件之间进行通信。每个BridgeSwitch器件的上管和下管限流点都可以单独进行设定,这样无需微处理器及相关外围电路在电机绕组开路或短路情况下提供整个系统的保护。集成的无损耗电流监测特性可提供基于硬件的电机故障保护,有助于简化电机故障保护机制,从而满足IEC60335-1和IEC60730-1要求。

  与此同时,BridgeSwitch™还具备自动点特点,可以选择从高压母线进行自动供电,节能了辅助电源中的供给栅极的驱动功率。另外,这块器件可兼容所有常见的控制算法,包括磁场定向控制(FOC)、正弦控制以及提供有传感器和无传感器检测的梯形控制算法。

  总而言之,PI公司希望借BridgeSwitch器件解决IPM模块的存在问题,为冰箱压缩机、暖通空调系统风扇以及其他家用和轻型商用泵、风扇和风机提供新的设计解决方案。

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