电机控制和能源效率：两者不再无关

电机控制在工业应用中扮演着越来越重要的战略角色。然而，能源消耗正成为一个主要问题，开发商和元器件制造商也正在加紧努力优化工业电机的能源效率、成本和性能。tvSednc

在AspenCore主办的PowerUP Expo虚拟展会关于电机控制趋势和前景的圆桌会议上，五位行业专家分享了各自的观点并概述了其策略和方法的异同。tvSednc

利用宽禁带推动新机遇

作为硅基器件的替代品，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体材料在电机控制应用中越来越具有吸引力。其主要优点包括更高的能效、更高的开关频率、更高的可靠性、更低的功率损耗、更小的尺寸和更轻的重量。tvSednc

碳化硅

在任何必须采用有源冷却管理半导体损耗才能实现高性能和高可靠性的解决方案中，最大限度地减少损耗可能会带来颠覆性的改变。“借助宽禁带器件，通过提高可靠性、省去散热器并实现非常紧凑的设计，就可以完全消除掉损耗。”英飞凌科技公司SiC高级总监Peter Friedrichs表示，“这些就是我所预见到的一些颠覆，而且我认为它们在未来的实际设计中也会越来越多地出现。”tvSednc

Friedrichs以Infinitum Electric公司推出的全新一体化物联网电机控制解决方案(图1)为例指出：“他们完全取消了电机中的重金属部件，用PCB代替了它们。最后，它是一种非常紧凑、轻便的解决方案，可满足极低的电感和高开关速度的要求，但却对dv/dt没有限制。”在此，SiC是一种使能元素。tvSednc

tvSednc

图1：Infinitum Electric公司之“电机+控制+物联网=一体化解决方案”。tvSednc

Friedrichs提出了与实际实现SiC MOSFET相关的三个热门话题和挑战。第一个是SiC MOSFET或一般的WBG开关的短路性能。随之而来的问题是：“因为我们必须接受SiC MOSFET的短路性能远低于当今IGBT的性能”，所以这真的是驱动器使用的一个障碍点吗？那么有必要在器件层面解决它吗？tvSednc

第二个话题是滤波输出。“今天，我们已经可以将输出滤波器添加到硅基逆变器，然后为电机带来许多潜在优势，因为不再有dv/dt限制，也就没有短路需要了。”Friedrichs表示，“尽管如此，硅世界中的滤波器非常庞大且昂贵，而SiC或WBG可以做得非常小，因此它可能会迎来复兴。”tvSednc

既然WBG功率器件已经问世，那么在电机技术前沿会不会有更多的创新在驱动逆变器中培育出SiC或GaN呢？Friedrichs给出了肯定的回答，他表示他正在研究面向小尺寸解决方案的高速电机、多极电机和磁阻电机技术等方向。tvSednc

氮化镓

许多人错误地认为，在无刷直流电机驱动中使用GaN器件没有任何好处。“这不是真的，因为它具有突破性的优势，例如更平滑的开关、提高PWM频率，以及非常小的死区时间。”EPC公司电机驱动系统和应用总监Marco Palma表示。tvSednc

此外，GaN FET和基于GaN的IC开关速度更快。“如果能实现更高的开关频率，就可以省去电解电容并降低电机损耗。”Palma表示。还可以实现更高的转矩/安培比。“也就是说，可以通过将逆变器集成到电机中，提高逆变器和电机系统的效率并减小系统的尺寸和重量。”Palma解释道。tvSednc

在被问及未来的发展趋势时，Palma表示他不确定传统的三相两电平逆变器是否会成为中长期的解决方案。为了做好更充分的准备，EPC正越来越多地与大学和选定的客户合作，并为更高的电压寻找合适的解决方案。“这可能有两种不同类型的拓扑，例如多电平电机，以及在其他一些情况下，不仅仅是三相电机的多相电机。我们在2022年会越来越多地看到这些情况发生。”tvSednc

实时控制的监控

实时控制使电动汽车(EV)充电站和太阳能解决方案等应用变得更加高效、可持续和经济实惠。但什么是实时控制呢？还有，运行实时控制应用需要什么呢？tvSednc

“这是关于以尽可能快的方式收集和处理数据并对此做出行动的方式。”德州仪器C2000实时MCU业务部总经理Matt Watson表示。其主要元器件是具有从数字实时MCU到集成驱动器再到模拟控制器和DC/DC控制器的一系列选项的控制系统。还有其他因素：传感(例如ADC、温度、电流和位置传感器、运算放大器、比较器和隔离)、驱动(例如具有集成栅极驱动器的GaN FET、无刷直流电机驱动器、DAC、模拟驱动器和栅极驱动器、隔离)和通信(例如高速接口、隔离)。tvSednc

“实时控制并不是一个新话题，但考虑到全球范围内围绕提高能源效率和减少排放的强度，它正在急剧加速。”Watson指出。tvSednc

实时控制的第一个好处是提高了性能和效率。“我们有几个领域，电机的低延迟和高生产能力可以实现更平滑的转矩控制。”Watson表示。随着更高的控制器处理能力为数学密集型功能留出了更多时间，死区补偿也得到了改善。tvSednc

另一个性能优势来自重量和尺寸，因为“更轻的重量意味着更少的功率”，Watson表示。WBG材料还有助于实现更小的发动机和更高的效率。tvSednc

下一个好处是可持续性和可靠性。“实时性可以改善电机和控制器之间的匹配，并且，对故障的响应速度越快，可以快速采取的行动就越多。”Watson表示，“这样可以延长电机的使用寿命，不仅可以提高电机效率，而且可以提高电机的耐用性和使用寿命。”TI表示，其C2000业务部门在改善电机生命周期和性能方面进行了大量投资。tvSednc

经济实惠这个优势也很重要。“随着开关频率的提高，我们在整个子系统中在减小尺寸方面起着积极作用，还有集成因素，可以把更多的系统BoM放到不同的子系统中。”Watson表示。tvSednc

Watson表示，实时控制适用于所有应用，但伺服应用是一个重要领域，“其中精度、准确度和平稳运行是关键，并且实时性非常重要”。在汽车行业，仍然需要围绕效率(例如重量和续航里程)进行大量的创新。“我们花费大量时间的一个领域是内部控制回路，即处理能力、整个信号链的精度和延迟。”Watson补充说。tvSednc

Watson总结道：“我们已经讨论了很多关于使GaN和SiC具有高开关频率和高PWM精度的问题。这就需要传感侧的终端输入具有相同水平的精度，以及越来越多的可配置性。我们在这些领域花了大量时间进行微调，以便确保我们能够实现目标。”tvSednc

运行高效电机控制

据电力和自动化技术供应商ABB集团所述，当今运行的(大约有3亿个)由工业电动机驱动的系统效率低下或消耗的能源远远超过必要的能源，从而导致巨大的能源浪费。如果可以用优化的高效率设备取代这些系统，那么这些好处就可以将全球电力消耗降低高达10%。反过来，这对于《巴黎协定》所规定的2040年气候目标所需的温室气体减排量，又能占到40%以上的比例。tvSednc

“我们的主要关注点是大批量消费类应用和汽车应用，在这些应用中，需要用大量实际的技术，通过磁场定向控制或其他无传感器技术来提高效率，并真正研究出用最高效率和最低成本运行压缩机电机的算法。”Microchip公司的嵌入式解决方案工程师Christoph Baumgartner表示，“我们提供广泛的半导体解决方案和开发工具组合。”tvSednc

这家总部位于美国亚利桑那州的公司专注于其8位、16位和32位MCU的效率，并“尝试将尽可能多的功能与ADC、运算放大器和正确的PWM外围模块进行集成，以便实现更低的BoM和更高的可靠性。”Baumgartner表示。tvSednc

加快上市时间对任何组织都至关重要。为此，Microchip已经开发出了所谓的完整的电机控制开发生态系统。其motorBench开发套件的主要目的是帮助电机控制工程师识别电机参数、生成代码、调整控制器参数并实现快速原型设计(图2)。tvSednc

tvSednc

图2：Microchip motorBench开发套件。tvSednc

Microchip也专注于算法，并在2021年6月推出了零转速/最大转矩控制算法(ZS/MT)——这是无传感器磁场定向控制(FOC)算法的一种新版本，能够使无传感器控制技术在高转矩或低速电机控制应用中获得采用。tvSednc

当被问及电感式位置传感器相对于现有霍尔效应传感器和磁性传感器的优势时，Baumgartner表示，这种传感器“可以在非常恶劣的环境中很好地工作”。尽管电感式传感器已经问世相当长一段时间了，但“客户仍心存疑虑，因此我们必须用实际示例展示其性能。”这项技术正在改进，Microchip声称其在机械臂中取得了良好的效果。“就像宽禁带等其他技术一样，客户需要对新事物深信不疑。”他总结道。tvSednc

降低开关损耗和传导损耗

电力电子市场正不断寻求提高电源转换器的效率并降低成本。实现这一目标的方法之一是可靠且经济地减少开关损耗和传导损耗。总部位于美国加利福尼亚州圣何塞的Pre-Switch公司就使用人工智能来连续调整开关系统内所需元件的相对时序，通过强制谐振来抵消电流和电压波形，从而最大限度地减少开关损耗。tvSednc

当晶体管导通和关断时，到达下一个工作状态所需的过渡时间很短，但它不是瞬时的，因此会引起能量损失(开关损耗)。开关损耗占功率转换器损耗的很大一部分。tvSednc

2020年，Pre-Switch开始销售其200kW CleanWave评估逆变器，并声称在每个开关位置使用三个分立式低成本35mΩ SiC FET晶体管，就可以在100kHz条件下实现超过99.3%的效率。“我们预计效率将接近99.5%。”Pre-switch的CEO兼创始人Bruce Renouard表示，“我们已经解决了dv/dt问题，因为我们将电容电感放置在了开关上。”tvSednc

Pre-Switch的控制器会逐周期地分析多个输入，实时适应小型强制谐振晶体管，从而实现最佳软开关。Pre-Switch AI算法可处理系统温度的变化、器件老化、输入电压变化和电流突变波动。tvSednc

Renouard还概述了他所谓的低失真正弦波输出。“这是因为我们的开关频率是大多数人的10倍，但开关损耗却没有恶化。这样就能提供非常平滑的输出。在大多数情况下，甚至不再需要输出滤波器，因为它已非常接近纯正弦波。”Renouard指出。tvSednc

“我们还能够减少同一开关所需碳化硅的数量，因为开关损耗实际上已经从方程中除掉了。”Renouard补充道，“也就是说，现在只需要处理器件的传导损耗了。通过快速开关，就可以大幅减小直流电容的尺寸。”tvSednc

Pre-Switch还于2021年第四季度推出了下一代200kW CleanWave2逆变器参考平台(图3)。tvSednc

tvSednc

图3：Pre-Switch首席执行官Bruce Renouard在该公司位于加利福尼亚州圣何塞的新总部在一台250kW测功机前手持下一代200kW CleanWave2逆变器参考平台。tvSednc

Pre-Switch技术扩大了包括电动汽车、电动飞机和电动船舶等在内的电动交通应用的范围。Renouard表示，基本上，该公司专注于50kW及以上的应用。“我们的功率越大越好。我们已经完成了高达数兆瓦的设计。总的来说，我们专注于研究需要电池的应用，因为它们才是目前真正需要提高效率的应用，而我们主要关注的是电机和驱动电机。”tvSednc

Renouard详细介绍了该公司的参与计划和业务模型，他表示：“我们的目标不是成为最终客户的逆变器供应商，而是要把我们的技术和许可证提供给他们，或者把这些产品出售给他们，以便于他们能够加快上市时间。我们正在销售硬件、授权软件和销售芯片。”tvSednc

Renouard表示，计算技术将继续成为电机控制的推动力，相信我们能看到更多非传统架构，因为“拥有50年历史的架构和晶体管并不一定是让我们自己脱颖而出的唯一方法。”他补充说：“我们预计电机驱动算法会继续变得更好，但我认为这还会和计算机控制方面的创新以及我们在控制实际开关技术方面所说的人工智能相匹配。”tvSednc

（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Motor Control and Power Efficiency: No Longer One Without the Other，由Franklin Zhao编译。）tvSednc

本文为《电子技术设计》2022年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。tvSednc