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直流无刷电机:驱动器效率提高1%意味着什么?

2018-12-17 赵明灿 阅读:
传统的有刷直流电机的绕组换相是采用电刷来完成。这类电机的缺点是,第一,随着时间的推移,电刷会产生磨损,而影响电机的使用寿命,或需要定期更换电刷。第二,电刷摩擦会产生热量,降低电机换能效率。第三,电刷摩擦会产生拉弧放电现象,而产生EMI(电磁干扰)问题。因此,有刷电机不适合用于速度较高的应用场合,而且其缺点随电机应用功率的加大愈发明显。越来越多的电机应用会转换到无刷直流电机(BLDC)。

据不完全统计,我们日常生活中消耗的能量中有50%~60%,是被电机消耗掉的。在我们的家庭当中,冰箱中的压缩机,空调的室内机、室外机等,都是由电机带动。在工业中,任何旋转、把电能转换成机械能的地方,都需要使用电机。DyFednc

传统的有刷直流电机的绕组换相是采用电刷来完成。这类电机的缺点是,第一,随着时间的推移,电刷会产生磨损,而影响电机的使用寿命,或需要定期更换电刷。第二,电刷摩擦会产生热量,降低电机换能效率。第三,电刷摩擦会产生拉弧放电现象,而产生EMI(电磁干扰)问题。因此,有刷电机不适合用于速度较高的应用场合,而且其缺点随电机应用功率的加大愈发明显。越来越多的电机应用会转换到无刷直流电机(BLDC)。DyFednc

无刷电机是靠开关管来换相(电子换相)。包括单相电机和三相电机。需要采用逆变器将直流电转换成交流电,从而改变电机绕组中的磁场方向。三相无刷直流电机包含三个绕组,可以采用星形或三角形连接。因此,电机驱动涉及三个桥臂电路,包含上管和下管,即桥式电路。DyFednc

传统的电机驱动应用,通常采用IPM(集成功率模块),即集成了功率开关的模块来控制。其对于三相应用集成了三个桥臂,即6个开关管。DyFednc

日前,PI(Power Integrations)公司推出了一种新的驱动器——BridgeSwitch。相比IPM模块,它在一个器件中只集成了2个开关管,这样做的原因(好处)是什么?另外,它的效率进一步提高,这对于驱动电源来说,又有怎样的好处?DyFednc

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PI公司资深技术培训经理阎金光DyFednc

效率提高1%=发热降低33%=温升显著降低

PI公司资深技术培训经理阎金光介绍说,BLDC包含众多应用,如工业用泵、电风扇、“制冷型”家电(即冰箱、冰柜等带压缩机的家电)、“制湿型”家电(洗碗机、洗衣机等)和空调等。从下图的IHS统计来看,从2018年到2023年,其复合年增长率将急剧增加。DyFednc

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交流电机频率比较低,由于采用电刷进行换向,其噪音比较明显,而在家电应用中讲究用户体验,希望噪声低。BLDC很好地适应了家电应用中对于高效率、低噪音及高可控性的要求。根据不同的应用,采用相应种类的电机及算法可以极大地改善用户体验,同时增加产品使用寿命,增加可靠性。DyFednc

BLDC的驱动器都由逆变器构成,那么逆变器的效率改善会带来哪些影响呢?DyFednc

以输入功率为260W的应用来看,当逆变器的效率是97%时,其功耗是7.8W,即逆变器中需要耗散的功率。若采用的是IPM模块,则在很多情况下都会加一个散热片来把这个热量散掉,阎金光表示。若将逆变器的效率提高到98%,则需要逆变器耗散的功耗降低到5.2W,节省的功率为2.6W。虽然这个功率相对于输入功率很小,但由于逆变器(IPM)封装的尺寸非常小,通常内部集成了六个开关器件,因而效率要做得很高,才能把封装的温度降下来(功耗会使温升急剧增加)。1%的效率改善(对应发热降低33%),有可能使温度由原来的100多℃降低到70~80℃。DyFednc

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在家电当中有个重要指标是TEC(总能耗)。它按电器在一年当中消耗的功率来计算,包括待机功耗和使用功耗,二者依标准所规定的计算公式,按照不同比例加权相加后,需满足国际能效法规的要求。而包含电机的家电应用中,电机驱动器的效率直接对使用功耗产生影响。因而更高效率意味着更加易于满足TEC要求。DyFednc

此外,能效提高可以使旧有设备在满足能效法规的情况下,多出的功率裕量可以用来给现有产品增加新的功能。例如,家用电器现在最火的概念是IoT,假如我们希望在下班的时候提前打开家里的空调,这需要通过网络来实现。IoT产品通过IoT模块(远程控制功能)来实现,它会不停地接收家里的WiFi信号,看是否有指令下发,因此会有一定的功率消耗。而前述节省下来的2.6W功率就足够支持IoT模块接收电路的工作,这样就能在不影响总能耗指标的情况下给现有产品增加新的功能,给用户带来更好的体验。DyFednc

只集成2个开关管而不是6个?解决散热和可靠性问题

BridgeSwitch在一个芯片当中集成了一个半桥臂电路,即一个上管和一个下管,各自有一个驱动电路。如下图所示,它适合于30~300W的BLDC逆变器驱动应用。BLDC包括高压直流和低压直流——在汽车产品中用的有24V,但在家电应用中高压用的却比较多。高压有什么好处?虽然高压会带来安全问题,但电压越高,电流越小,进而可以降低损耗(I2R)。因此若采用高压直流电机,整个系统的效率可以比低压直流电机做得高一点。家电产品用的母线电压通常都是300V左右,也就是电机驱动逆变器的母线电压。DyFednc

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它集成的FREDFET(快恢复外延型二极管场效应管)规格是600V。这种开关管是专门针对电感性负载应用而进行了优化,特别适合于电机类负载的电流换向应用。DyFednc

另外,它一个器件中集成的是2个开关器件,而传统的IPM模块是集成6个开关器件。6个开关器件集成在一个器件中,温升会很高。将它们做到3个不同的器件上,则可以使温升大幅下降,从而做到无需使用散热片的设计。“在家电设计中,客户最怕的就是安装散热片,因为它涉及到可靠性问题,如安装一致性、运输当中的振动、跌落试验等均要求散热片能够保证散热良好。如果你不需要散热片,而仅靠PCB来散热,就不需要担心各种机械应力对系统散热会产生影响。”阎金光表示。DyFednc

高压自供电有什么好处?传统的IPM需要采用双路电源——15V和5V,15V给驱动器供电,5V给MCU供电。15V可以给下管驱动器直接供电,上管还需要加一个自举二极管。如果逆变器驱动本身能够实现自供电的话,则可以简化辅助供电电源的设计——只需要单路输出的电源给MCU供电即可,并可省去这个自举二极管,带来成本节省。DyFednc

最后,它提供全面的保护和监控特性,如过流、欠压/过压和过温保护。传统上,由于封装很小,PIN脚数目受限,不可能把保护功能做得非常完善。那传统电路怎么来做保护?传统的保护(如过压保护)由MCU通过软件(增加MCU负担)和外围电路(增加成本)来完成。BridgeSwitch提供SM(系统监测)引脚,可以用它来做很多保护组合,比如可以同时实现输入电压监测及系统过温监测。而FAULT引脚可以把内部的过温故障、过流故障等发给MCU。由MCU最终决定是否采取动作(比如降速运行;当然,过温达到极限时仍会自行切断),非常智能。DyFednc

创新的BridgeSwitch驱动器架构

系统MCU提供PWM驱动信号到三个BridgeSwitch驱动器当中,来驱动相应的上管和下管。单线故障报告接口通过脉冲的方式报告故障,从而可节省引脚数。相电流大小可以通过相电流信息引脚上的电阻读出。这在某些应用当中可以用来检测转子的位置(无感检测,当然需要与算法相配合)。ID引脚通过不同连接方式,可以在出现故障时告诉MCU,是哪个部位在汇报状态。(另外,三相逆变器驱动应用中,若其中有一个桥臂损坏,可以只更换这一个器件,而不用像IPM那样需全部替换。)XH和XL这两个电阻用来设定上管和下管的限流点。SM具有多种连接组合,进而可组合来做多种保护——既可以连接到母线电压来做过压保护,也可以连接到温敏电阻来做系统过温保护,也可以连接三极管来做客户自定义的检测保护。DyFednc

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下面是BridgeSwitch和IPM实测温升对比(风扇应用),118℃的情况下,PCB很可能耐受不住。使用IHB架构的BridgeSwitch则可以将热量均分至不同器件上,从而将器件温升大幅降低。DyFednc

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此外,BridgeSwitch采用硬件方式实现过流保护, 且上管和下管电流均进行逐周期的限流。相对于传统用软件实现保护的方式,硬件实现的方法可以大大降低软件的负担,提高软件的代码执行率,节省外围检测电路的成本。同时也可以极大简化软件的认证成本及认证时间。DyFednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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