PI如何簡(jiǎn)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器設(shè)計(jì)

以下文章來源于PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，作者劉洪

日前，Power Integrations（PI）舉辦新品媒體溝通會(huì)，資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光分享了電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹了新推出的第二代產(chǎn)品BridgeSwtich-2在設(shè)計(jì)高效、安靜的電機(jī)、減少宕機(jī)時(shí)間等方面的一些優(yōu)勢(shì)。

他表示，三相電機(jī)要用3個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)，BridgeSwitch是一個(gè)集成了半橋電路的芯片，而常見的IPM（智能功率模塊）是把6個(gè)開關(guān)集成在一個(gè)模塊中，溫升效果不盡如人意。BridgeSwtich-2在第一代產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，更適合無刷直流電機(jī)應(yīng)用。

01無刷直流電機(jī)持續(xù)增長(zhǎng)，用戶要求水漲船高

無刷直流電機(jī)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)主要來自工業(yè)類電機(jī)應(yīng)用節(jié)能指令的新要求，例如，歐盟計(jì)劃到2035年節(jié)省2000億美元的能耗，因?yàn)榇蠹s50%到60%的電能都是由電機(jī)損耗掉的，所以必須提高電機(jī)的效率，而電機(jī)能量變換效率直接與逆變器效率相關(guān)。

又如，家電標(biāo)識(shí)方面，要求洗碗機(jī)必須增加30%的效率；歐盟ErP要求自2025年開始待機(jī)能耗要小于300mW；印度則致力于吊扇50%的節(jié)能目標(biāo)。

從用戶角度看，他們期望有更好的產(chǎn)品使用體驗(yàn)，家電工作起來更加安靜，暖通空調(diào)應(yīng)用能夠?qū)饬鬟M(jìn)行精確控制；家電設(shè)備的宕機(jī)時(shí)間更少。

而以上這些都對(duì)無刷直流電機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)提供了持續(xù)的驅(qū)動(dòng)力。

閻金光認(rèn)為，電機(jī)行業(yè)有三類企業(yè)，一是專門做電機(jī)的電機(jī)生產(chǎn)商，二是做逆變驅(qū)動(dòng)加上電機(jī)的系統(tǒng)集成商，第三類企業(yè)是美的、格力等這類終端客戶。

電機(jī)企業(yè)只是把電機(jī)成本做好，系統(tǒng)集成商則把電機(jī)的效果做到最佳，而終端客戶中越來越多的大企業(yè)希望降成本，同時(shí)做到與其競(jìng)品相比具有更多的差異化，以增加其產(chǎn)品賣點(diǎn)。舉例說來，如果能夠把待機(jī)功耗做好，就可以滿足ErP的300mW功耗要求，縮短宕機(jī)時(shí)間，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制，并具有更高的效率等等。而BridgeSwitch-2的推出可以滿足以上不同客戶對(duì)成本和性能的目標(biāo)要求，以最大發(fā)揮無刷直流電機(jī)在具體應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

他說，BridgeSwitch?-2 IC適合1馬力（750W）的單相或三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。功率更大意味著適用的范圍更寬。

02簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)

據(jù)介紹，新產(chǎn)品有兩種封裝的形式，由于加大了功率，很多家用電器設(shè)備，包括工業(yè)類應(yīng)用都可以使用這些特有的高效散熱的封裝，實(shí)現(xiàn)無散熱片的設(shè)計(jì)。

新的功率封裝以及低熱阻的特點(diǎn)優(yōu)化了器件的溫升性能，簡(jiǎn)化了散熱設(shè)計(jì)。兩個(gè)不同封裝的最大區(qū)別是輸出功率，分別是緊湊型設(shè)計(jì)的InSOP-24C封裝和高功率電機(jī)應(yīng)用的InSOP-L38封裝。這些封裝延續(xù)了之前PI所有的功率器件優(yōu)勢(shì)——底部具有裸露的焊盤，經(jīng)由回流焊裝配工藝后，熱量可通過焊盤傳導(dǎo)到PCB商，同時(shí)低矮的封裝也易于實(shí)現(xiàn)超薄設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)一體化的高功率密度設(shè)計(jì)。

采用兩個(gè)管的集成半橋的架構(gòu)（IHB）使得只使用3個(gè)IC即可驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相電機(jī)，三個(gè)封裝可以均勻分布熱量，消除了傳統(tǒng)IPM模塊方案中常見的集中發(fā)熱點(diǎn)，使器件整體溫度降低30℃以上。而且，不用像IPM模塊那樣使用6個(gè)開關(guān)，由于發(fā)熱集中需要使用成本昂貴且占用空間的散熱片；使用3個(gè)InSOP-28C封裝的BRD2161C實(shí)現(xiàn)的三相BLDC電機(jī)圓形驅(qū)動(dòng)板可以和電機(jī)集成在一起，利用PCB板進(jìn)行散熱，大大節(jié)省了空間。同時(shí)元件數(shù)目非常少，發(fā)揮了PI高度集成的優(yōu)勢(shì)，提升了可靠性，可達(dá)到超過99%的變換效率。

閻金光解釋說，電機(jī)控制需要非常精確，不同應(yīng)用的控制算法也不一樣。在效率方面，如果效率功率是400W，提升1%就是4W；如果是750W的話就相當(dāng)于減少了7.5W的損耗。在功率較大的情況下，哪怕是0.01個(gè)百分點(diǎn)的效率提升都非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣可以使器件有更好的溫升表現(xiàn)。

為此，PI官網(wǎng)給出的PI Expert?軟件可優(yōu)化逆變器的性能并即時(shí)計(jì)算器件的溫升數(shù)值，方便工程師做出更好的散熱設(shè)計(jì)。通過逆變器輸出功率和效率、熱阻、PCB面積可以估算出溫升會(huì)達(dá)到多少度，進(jìn)而估算出PCB的散熱面積，達(dá)到最佳散熱效果。這樣可以在設(shè)計(jì)前期就對(duì)PCB板的布局起到指導(dǎo)的作用。

電機(jī)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及硬件和軟件，只有兩者很好地搭配，才能調(diào)教出一個(gè)非常高效、安靜的電機(jī)。而PI除了推出逆變器用到的IC硬件以外，還同時(shí)提供調(diào)試電機(jī)的軟件MotorXpert，它使得工程師不必了解繁瑣的編程代碼，直接通過圖形用戶界面即可對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)及特性進(jìn)行調(diào)整，從而大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

BridgeSwitch?-2及MotorXpert提供了一個(gè)一站式整體逆變器解決方案。利用MotorXpert套件對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)電機(jī)不同的參數(shù)，比如不同結(jié)構(gòu)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的慣性等等，進(jìn)行精確的算法調(diào)整。這種閉環(huán)調(diào)整涉及電機(jī)的啟動(dòng)和不同轉(zhuǎn)速下的效率，都會(huì)對(duì)變換效率、逆變器溫升和電機(jī)的噪音有顯著的影響。

使用該軟件套件的好處在于，方便優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，可以極少的整體元件數(shù)目實(shí)現(xiàn)極高的效率的設(shè)計(jì)，并可以精確控制電機(jī)運(yùn)行；縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，而新器件也更加易于滿足歐盟ErP待機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，縮短家電設(shè)備的宕機(jī)時(shí)間。

03內(nèi)置相電流檢測(cè)功能優(yōu)化系統(tǒng)性能

閻金光提到，PI一直延續(xù)了獨(dú)創(chuàng)的無感電流檢測(cè)方式，利用集成的相電流檢測(cè)（IPH）直接提供相電流信息，在IC內(nèi)部檢測(cè)相電流信號(hào)，不需要加外部的電流檢測(cè)電阻，簡(jiǎn)化了電流反饋電路。這種檢測(cè)方式不會(huì)受外部噪聲的干擾，避免影響電機(jī)的控制策略，進(jìn)而影響電機(jī)效率，同時(shí)省去了電阻和相應(yīng)的運(yùn)算放大器電路，進(jìn)而降低了損耗，減少了整體方案的元件數(shù)目。

基于IPH的電流信息檢測(cè)，提供給MCU后利用軟件即可實(shí)現(xiàn)無感的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，再結(jié)合BridgeSwitch三相逆變器硬件，即可省去90%的電流反饋電路，并將逆變器的損耗減少10%以上。

此外，相比使用外部電流檢測(cè)電阻的方案，IPH電流檢測(cè)波形更加“干凈”。在相同的無感FOC控制條件下，使用IPH的BridgeSwitch?-2合成的電流不會(huì)像傳統(tǒng)分立方案那樣出現(xiàn)電流信息失真，這樣可以減少噪音對(duì)電機(jī)控制算法的影響，進(jìn)而減小了電機(jī)噪音，提高了電機(jī)效率。

利用相電流信息還可以更加精確地預(yù)測(cè)電機(jī)的維護(hù)狀態(tài)，且兼具減少宕機(jī)時(shí)間的成本效益。電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)磨損，影響磁場(chǎng)分布。通過相電流波形就可以知道電機(jī)磨損的百分比，判斷什么時(shí)候需要更換電機(jī)。從而提前對(duì)即將發(fā)生的故障進(jìn)行“鎖定”，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)知的維護(hù)意味著可以縮短設(shè)備使用期間的宕機(jī)時(shí)間。

BridgeSwitch-2的IPH內(nèi)部檢測(cè)方式對(duì)故障預(yù)判的準(zhǔn)確度為92.5%，而傳統(tǒng)的基于分流器的檢測(cè)方式因?yàn)樵肼暤挠绊憸?zhǔn)確度僅為55%，無法真實(shí)判斷電機(jī)磨損情況。之前業(yè)界還沒有一種方式可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電機(jī)的好壞。

04進(jìn)入“睡眠”模式降低待機(jī)功耗

閻金光說，進(jìn)入睡眠模式可以有效降低待機(jī)功耗，使用BridgeSwitch?-2的逆變器在使用外部供電情況下效率高達(dá)99%。BridgeSwitch-2適用的是高壓的無刷直流電機(jī)，其母線電壓為320V。對(duì)于功率變換來講，母線電壓越高損耗越低，但需要逆變器中功率器件具有更高的耐壓。

BridgeSwitch?-2內(nèi)部集成的高壓FREDFET適用于這樣的應(yīng)用。逆變器操作除了開關(guān)還有驅(qū)動(dòng)電路，需要有外部供電。第二代產(chǎn)品降低了供電電壓，兼容現(xiàn)有的IPM模塊方案的15V供電電壓，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗。除了15V供電外，通常輔助供電電源還需要給MCU供電的3.3V電壓。

在待機(jī)狀態(tài)下，微控制器發(fā)出指令至輔助電源，將15V輸出降至6V，這樣就進(jìn)一步降低了輔助供電電源的損耗。在種情況下，BridgeSwitch?-2即可進(jìn)入睡眠模式，3個(gè)半橋IC的總功耗可以低至10mW以下。節(jié)省下來的功耗可以把產(chǎn)品的待機(jī)特性做的更好，實(shí)現(xiàn)更多待機(jī)工況下的功能，比如利用無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

這種利用睡眠指令重新設(shè)置功率架構(gòu)的方式可以非常容易滿足ErP低待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)的要求。

05MotorXpert? 簡(jiǎn)化并方便優(yōu)化設(shè)計(jì)

據(jù)了解，在軟件調(diào)試方面，通過在MotorXpert軟件中的一些設(shè)置可以更方便客戶完成整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快設(shè)計(jì)周期。終端客戶可以根據(jù)電機(jī)特性做一些差異化的軟件調(diào)整設(shè)定。利用軟件GUI和接口板調(diào)整電機(jī)，直接輸入一些數(shù)字就會(huì)看到對(duì)應(yīng)的一些性能變化，針對(duì)不同的電機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化，如靜音效果、轉(zhuǎn)速、效率等等。

MotorXpert采用圖形用戶界面（GUI）來優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)及性能，通過內(nèi)置示波器可以看到各種波形。很多參數(shù)可以在電機(jī)旋轉(zhuǎn)期間即時(shí)地設(shè)定，不需要在MCU上寫程序代碼，易于使用。一旦電機(jī)選好，將軟件調(diào)好后就可以固化軟件，生成一個(gè)配置文件供批量生產(chǎn)使用。

除了支持三相電機(jī)外，BridgeSwitch?-2還可以只用兩個(gè)半橋IC支持低成本的單相電機(jī)應(yīng)用，后者相對(duì)于三相電機(jī)只是噪音高一些，但成本更低，因而各有各的優(yōu)勢(shì)。單相電機(jī)的算法設(shè)計(jì)難度在于預(yù)估上電期間轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)現(xiàn)無感的轉(zhuǎn)子定位是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而利用BridgeSwitch-2的IPH電流檢測(cè)，再加上特殊的算法，即可實(shí)現(xiàn)無感的單相電機(jī)逆變器應(yīng)用。

06總結(jié)

閻金光最后表示，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的完美解決方案，BridgeSwitch一直以來都在滿足新興市場(chǎng)應(yīng)用的要求。BridgeSwitch?-2和MotorXpert簡(jiǎn)化了電機(jī)設(shè)計(jì)、增加了效率、降低了空載功耗，完美適用于高達(dá)1馬力功率的電機(jī)應(yīng)用，包括冰箱壓縮機(jī)、暖通空調(diào)、洗碗機(jī)、油煙機(jī)熱泵、循環(huán)泵、吊扇、滾筒洗衣機(jī)、研磨機(jī)、攪拌機(jī)等。

使用MotorXpert的整體解決方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng)單相及三相電機(jī)；硬件連接的保護(hù)特點(diǎn)簡(jiǎn)化了對(duì)軟件的依賴，加快了產(chǎn)品入市時(shí)間；IPH不占用MCU資源，可以在不需要MCU介入的情況下保護(hù)逆變器和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單、更加精確的電流信息檢測(cè)。

他透露，目前PI已提供量產(chǎn)訂單及樣品，InSOP-28C封裝器件將于2024年第二季度末上市。