无刷直流电机,需要怎样的芯片?
2024-06-11
13:59:03
来源: 李寿鹏
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凭借高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速、相对低成本且简单易用等优势,无刷直流电机在全球的受欢迎程度大增。根据Spherical Insights的预测,预计到2032 年,全球无刷直流电机市场规模将达到453 亿美元,2022 年至2032 年预测期间复合年增长率为7.5%。
由此可见无刷直流电机,大有可为。
众所周知,任何电机都是由定子和转子两部分组成。其中,定子是固定不变的,转子则是运动的,这在无刷直流电机上也不例外。具体而言,定子拥有由线圈组成的绕组,而这个绕组是需要靠交流电去驱动的,因为只有交流电,才能产生一个交变的磁场,进而驱动由永磁体构造的转子旋转。
考虑到无刷直流电机的使用场景,这就意味着在电路中会有一个逆变器,去将直流电转为交流电。如上图圈内所示,一个三相绕组是由三个半桥来驱动的。
所谓半桥,是一种基本、可重复的、灵活的功率元件组。在过去,市场常用封装了六个功率开关管的IPM(智能功率模块)来实现,但这仅仅局限于中低功率的应用。按照Power Integrations 资深技术培训经理阎金光所说,部分原因归咎于如果功率太大,封装如此多功率管的IPM的散热很难处理。
“面对这些挑战,Power Integrations推出的BridgeSwitch就能很轻松就应对”,阎金光表示。在近日,公司更是推出了全新高压集成半桥(IHB)电机驱动器IC产品系列BridgeSwitc-2,进一步增强无刷直流电机(BLDC)的软硬件组合解决方案。
“这是一款面向母线电压达到300V甚至更高功率的产品。”阎金光说。
据阎金光介绍,与上一代产品相比,新产品在很多方面有了提升。例如适合高达1马力 (746W)的应用场景。新IC内部还集成了上管和下管的驱动以及两个性能加强的FREDFET,内部更是采用无损耗的电流检测,可提供高达99%的逆变器效率。
相关资料显示,PI这个低导通电阻的FREDFET在所有型号产品中都得到了运用,能显著降低导通损耗。与此同时,其内部集成的体二极管设计用于实现很低的损耗并降低了EMI。 此外,BridgeSwitch-2提供的相电流检测则是一项市场上独有的特性,能对流经下管FREDFET的电机电流加以镜像检测,而内部的增益放大电路仅需要使用一个外部的小信号电阻即可。其IPH功能则帮助进一步降低了BOM成本,提升了系统效率。
从设计上看,相较于分立式设计,BridgeSwitch-2的IHB架构消除了系统中的集中发热点,可提高设计的灵活性和可靠性,并可大幅减少元件数量,节省PCB面积。而针对功率大小不同,BridgeSwitch-2也提供了W封装和C封装这两个不同的产品以供开发者选择。
除了硬件方面,软件也是PI这个方案不得不提的又一个亮点。正如阎金光所说,一个直流电机的运转,不仅仅依赖于硬件,软件的支持也同样重要。在这种模式下,就需要有MCU,让软件跟硬件一起搭配调整。为了帮助开发者更快地开发产品,PI打造了一个一体化的解决方案,MotorXpert软件套件就是其中的一个重要助力。据介绍,该套件包括了单相梯形控制和三相无传感器磁场定向控制(FOC)模块,可加快逆变器的开发速度。
PI表示,传统的采用分立或IPM方案的逆变器依赖于软件执行系统保护,比如过压或过流故障条件下。这样会增加软件的开发周期及成本。但BridgeSwitc内建的过流和过压保护机制不依赖于软件,可以在不需要MCU介入的情况下保护逆变器和系统。
“为了使系统MCU在任何时间了解系统的状况,BridgeSwitch不只是对其本身提供保护,还将故障情况以故障总线的方式(仅需要2kB的内存代码)汇报给MCU。特别对于出口至美国和欧盟的产品型号,根据IEC 60730‐1 标准,需要满足Class A的系统软件,而这会多花2个月的产品认证时间。”PI方面强调。
正因为拥有如此宽广的工作电压范围,PI的这个产品应用非常广泛,可以推广到包括热交换器风扇、冰箱压缩机、流体循环泵、燃气锅炉燃烧风扇、洗衣机滚筒以及厨房搅拌机和搅拌器在内的市场。
对于无刷直流电机的开发者来说,这也是一个不错的选择。
由此可见无刷直流电机,大有可为。
众所周知,任何电机都是由定子和转子两部分组成。其中,定子是固定不变的,转子则是运动的,这在无刷直流电机上也不例外。具体而言,定子拥有由线圈组成的绕组,而这个绕组是需要靠交流电去驱动的,因为只有交流电,才能产生一个交变的磁场,进而驱动由永磁体构造的转子旋转。
考虑到无刷直流电机的使用场景,这就意味着在电路中会有一个逆变器,去将直流电转为交流电。如上图圈内所示,一个三相绕组是由三个半桥来驱动的。
所谓半桥,是一种基本、可重复的、灵活的功率元件组。在过去,市场常用封装了六个功率开关管的IPM(智能功率模块)来实现,但这仅仅局限于中低功率的应用。按照Power Integrations 资深技术培训经理阎金光所说,部分原因归咎于如果功率太大,封装如此多功率管的IPM的散热很难处理。
“面对这些挑战,Power Integrations推出的BridgeSwitch就能很轻松就应对”,阎金光表示。在近日,公司更是推出了全新高压集成半桥(IHB)电机驱动器IC产品系列BridgeSwitc-2,进一步增强无刷直流电机(BLDC)的软硬件组合解决方案。
“这是一款面向母线电压达到300V甚至更高功率的产品。”阎金光说。
据阎金光介绍,与上一代产品相比,新产品在很多方面有了提升。例如适合高达1马力 (746W)的应用场景。新IC内部还集成了上管和下管的驱动以及两个性能加强的FREDFET,内部更是采用无损耗的电流检测,可提供高达99%的逆变器效率。
相关资料显示,PI这个低导通电阻的FREDFET在所有型号产品中都得到了运用,能显著降低导通损耗。与此同时,其内部集成的体二极管设计用于实现很低的损耗并降低了EMI。 此外,BridgeSwitch-2提供的相电流检测则是一项市场上独有的特性,能对流经下管FREDFET的电机电流加以镜像检测,而内部的增益放大电路仅需要使用一个外部的小信号电阻即可。其IPH功能则帮助进一步降低了BOM成本,提升了系统效率。
从设计上看,相较于分立式设计,BridgeSwitch-2的IHB架构消除了系统中的集中发热点,可提高设计的灵活性和可靠性,并可大幅减少元件数量,节省PCB面积。而针对功率大小不同,BridgeSwitch-2也提供了W封装和C封装这两个不同的产品以供开发者选择。
除了硬件方面,软件也是PI这个方案不得不提的又一个亮点。正如阎金光所说,一个直流电机的运转,不仅仅依赖于硬件,软件的支持也同样重要。在这种模式下,就需要有MCU,让软件跟硬件一起搭配调整。为了帮助开发者更快地开发产品,PI打造了一个一体化的解决方案,MotorXpert软件套件就是其中的一个重要助力。据介绍,该套件包括了单相梯形控制和三相无传感器磁场定向控制(FOC)模块,可加快逆变器的开发速度。
PI表示,传统的采用分立或IPM方案的逆变器依赖于软件执行系统保护,比如过压或过流故障条件下。这样会增加软件的开发周期及成本。但BridgeSwitc内建的过流和过压保护机制不依赖于软件,可以在不需要MCU介入的情况下保护逆变器和系统。
“为了使系统MCU在任何时间了解系统的状况,BridgeSwitch不只是对其本身提供保护,还将故障情况以故障总线的方式(仅需要2kB的内存代码)汇报给MCU。特别对于出口至美国和欧盟的产品型号,根据IEC 60730‐1 标准,需要满足Class A的系统软件,而这会多花2个月的产品认证时间。”PI方面强调。
正因为拥有如此宽广的工作电压范围,PI的这个产品应用非常广泛,可以推广到包括热交换器风扇、冰箱压缩机、流体循环泵、燃气锅炉燃烧风扇、洗衣机滚筒以及厨房搅拌机和搅拌器在内的市场。
对于无刷直流电机的开发者来说,这也是一个不错的选择。
责任编辑:sophie
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