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一種更快、更有效地將無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)的方式

發(fā)布時(shí)間:2021-11-08 來(lái)源:PI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電機(jī)是目前世界上最大的電力消耗者,并且占比非常大。荷蘭能源研究中心(ECN)估計(jì),全球發(fā)電量的45%是由電機(jī)消耗的。因此,為了推動(dòng)效率的提高,各國(guó)正通過(guò)立法手段來(lái)提高電機(jī)的效率標(biāo)準(zhǔn)。


2021年7月,歐盟開(kāi)始實(shí)施“電機(jī)和變速驅(qū)動(dòng)裝置條例(EU) 2019/1781”,對(duì)之前被排除在標(biāo)準(zhǔn)之外的一些電機(jī)增加了最低效率限值,并縮短了為其他類(lèi)型電機(jī)符合效率要求所預(yù)留的時(shí)間。此類(lèi)法規(guī)顯示的趨勢(shì)很明顯——所允許的最低效率將隨著時(shí)間的推移不斷提高。新的電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的高效,以避免在其工作壽命結(jié)束前就被立法強(qiáng)制替換的風(fēng)險(xiǎn)。


這些法律涵蓋了各種各樣的電機(jī),從基礎(chǔ)設(shè)施泵中的大型電機(jī)到為PC風(fēng)扇供電的微型電機(jī)。尺寸不是唯一的考慮因素,電機(jī)的類(lèi)型也很重要。以前,有刷直流電機(jī)被廣泛使用,但它們的效率相對(duì)較低,可靠性有限——電刷會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損,需要更換。在各種運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)載下,對(duì)更高的效率和更大的可靠性的需求,導(dǎo)致無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)在新設(shè)計(jì)中被廣泛采用。


無(wú)刷直流電機(jī)不需要電刷和換向器之間的物理接觸。這一步消除了摩擦引起的機(jī)械損耗,使無(wú)刷直流電機(jī)更適合長(zhǎng)期使用。由于轉(zhuǎn)子不需要供電,因此無(wú)需電刷和滑環(huán),換向器組件也簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。這也使得無(wú)刷直流電機(jī)在更小的封裝內(nèi),每瓦特輸出的扭矩比有刷直流電機(jī)更大。


無(wú)刷直流電機(jī)使用永磁體作為轉(zhuǎn)子,它與定子線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用。這些線圈以精確的模式導(dǎo)通和關(guān)斷,以確保轉(zhuǎn)子有效轉(zhuǎn)動(dòng)。這種模式由微控制器(MCU)算法決定,并使用嵌入電機(jī)的傳感器提供實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)精確控制。微控制器向開(kāi)關(guān)發(fā)送信號(hào),控制通過(guò)線圈的電流。盡管微控制器控制給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器增加了一些復(fù)雜性,但它提供了更大程度的靈活性和精確性。


由于有關(guān)電機(jī)效率的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是整個(gè)電機(jī)組件的運(yùn)行情況,因此必須使每個(gè)階段的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài),以盡量減少整體損耗。這包括用于為電機(jī)供電的逆變器。逆變器的性能受到熱量的限制。除了縮短逆變器的使用壽命外,當(dāng)驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱時(shí),不良的熱性能會(huì)阻止逆變器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供足夠的電流。解決散熱問(wèn)題的典型方法是使用散熱片,或在某些情況下使用輔助風(fēng)扇,但這兩種解決方案都不太理想。兩者都會(huì)加大電機(jī)尺寸和重量,這不利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化,并且會(huì)增加BOM物料數(shù)、增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性并降低設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度。


BridgeSwitch電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


Power Integrations (PI) 在開(kāi)發(fā)用于離線功率變換和柵極驅(qū)動(dòng)的高度集成的高壓IC方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn),能夠從兩個(gè)不同的方向解決這個(gè)問(wèn)題。


●    第一個(gè)方法是提供一種有效的架構(gòu),最大限度地減少需要耗散的熱量。

●    第二個(gè)方法是采用單獨(dú)的IC分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)相的電機(jī)繞組,以提供一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案,其靈活性足以支持單相和多相電機(jī)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的損耗所產(chǎn)生的少量熱量均勻分布于整個(gè)PCB上,而不是集中在某個(gè)集中發(fā)熱點(diǎn)。


這就是PI的BridgeSwitch?系列集成半橋(IHB)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,適用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)(無(wú)刷直流或永磁同步電機(jī)(PMSM))以及異步電機(jī)(例如交流感應(yīng)電機(jī))。


BridgeSwitch器件的效率可高達(dá)98.5%,適用于功率范圍為30W(典型IRMS=0.2A)至400W(典型IRMS=1.1A)的逆變器設(shè)計(jì)。BridgeSwitch IC集成了下管和上管驅(qū)動(dòng)器、控制器、電平變換器和兩個(gè)N通道600V快速恢復(fù)外延型二極管FET(FREDFET),并可提供無(wú)損耗的電流檢測(cè)功能。FREDFET具有極快恢復(fù)的體二極管,使其成為驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的理想選擇。它們可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗,并具有軟恢復(fù)特性以減少EMI。


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bridgeswitch schematic


BridgeSwitch IC可自行供電,允許使用更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)供電電源(例如PI的LinkSwitch?-TN2)來(lái)驅(qū)動(dòng)微控制器??梢允褂眯⌒头歉綦x驅(qū)動(dòng)器,而不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多路輸出隔離反激式方案,從而進(jìn)一步縮減BOM、降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并減小電路板空間。內(nèi)部還集成逆變器診斷功能,可減少所需的傳感器數(shù)量和微處理器故障處理資源占比。BridgeSwitch IC集成了許多基于硬件的故障保護(hù)和外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)測(cè)功能。這種硬件方案不僅能提供比軟件保護(hù)更快的響應(yīng),而且由于該架構(gòu)具有硬件方式實(shí)現(xiàn)的逐周期下管和上管過(guò)流保護(hù)以及板載監(jiān)測(cè)功能,因此更容易通過(guò)UL/IEC60730認(rèn)證。通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)這些功能,意味著滿足UL/IEC 60730的軟件要求從B級(jí)降低到A級(jí),無(wú)需在軟件更新后重新認(rèn)證。


BridgeSwitch參考設(shè)計(jì)套件


為了讓設(shè)計(jì)更快地推向市場(chǎng),PI還為BridgeSwitch產(chǎn)品系列開(kāi)發(fā)了多款無(wú)刷直流電機(jī)參考設(shè)計(jì)套件(RDK)。新的參考設(shè)計(jì)可提供高達(dá)400W的輸出功率且無(wú)需散熱片,能夠支持具有更大RMS電流要求和高散熱要求的應(yīng)用,如壓縮機(jī)、吸油煙機(jī)以及家用和商用風(fēng)機(jī)和泵。


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這些電路板都不需要散熱片。


為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,PI推出了Motor-Expert?,這是一款電機(jī)控制配置和診斷應(yīng)用程序,為所有參數(shù)和命令提供了圖形用戶界面,以及用于以串行模式與電機(jī)控制器交互的終端仿真器。Motion Scope(運(yùn)行概覽)功能提供可實(shí)時(shí)查看的重要控制器變量的線性圖。


相關(guān)閱讀:


1、PI發(fā)布Motor-Expert軟件,簡(jiǎn)化無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2、PI發(fā)布新型控制軟件,無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)的成本和復(fù)雜度大幅降低


來(lái)源:電子產(chǎn)品世界,作者:Cristian Ionescu-Catrina(Power Integrations高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理)



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