為電器馬達(dá)提供動(dòng)力

馬達(dá)類型

近一個(gè)世紀(jì)以來，感應(yīng)馬達(dá)一直是電器行業(yè)的動(dòng)力提供部件。在新型的變頻驅(qū)動(dòng)器中，也有許多使用感應(yīng)馬達(dá)。但有部分新的電器開始采用更高效、更緊湊輕巧的馬達(dá)系統(tǒng)。這些新型電器馬達(dá)實(shí)際上可以劃分為無刷直流(Brushless DC)馬達(dá)和開關(guān)磁阻(switched reluctance)馬達(dá)兩大系列。

許多家用電器都紛紛轉(zhuǎn)向采用帶有變頻驅(qū)動(dòng)器的無刷直流馬達(dá)。這些高效且功能豐富的馬達(dá)有很高的轉(zhuǎn)矩/重量比。鑒于能源價(jià)格的走高和鐵價(jià)上升，人們對(duì)無刷直流馬達(dá)的興趣已大幅提高。妨礙這類馬達(dá)在更多電器中獲得廣泛采納的主要原因在于成本較高和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。不過，現(xiàn)在無刷馬達(dá)在電器以外應(yīng)用中的普及正在穩(wěn)步降低無刷直流馬達(dá)方案的成本。例如，采用了無刷直流馬達(dá)的混合動(dòng)力汽車的流行，將成為未來推動(dòng)這類馬達(dá)成本持續(xù)降低的主要力量之一。

開關(guān)磁阻馬達(dá)一直廣泛用于某些對(duì)馬達(dá)噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要求不太嚴(yán)格的機(jī)器中，比如真空吸塵器和手動(dòng)工具等。這類馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)度高、成本極低。
無刷直流馬達(dá)和開關(guān)磁阻馬達(dá)都采用 MCU或DSP來合成波形，然后再利用功率開關(guān)如Power MOSFET或IGBT加以放大。

驅(qū)動(dòng)器類型

變頻驅(qū)動(dòng)器可采用多種不同方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。最常見的是用于典型三相馬達(dá)的低頻驅(qū)動(dòng)器方案，如圖1所示。

圖1  梯形波驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單但效率較低

如果需要更高的效率和性能，可采用PWM方案來生成正弦波。要進(jìn)一步提高效率，可選擇如圖2所示的空間矢量調(diào)制 (Space Vector Modulation) 方案。

圖2  空間矢量調(diào)制方案可提供最高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率

智能功率模塊

最近幾年有大量智能功率模塊推出，這些模塊讓微控制器或DSP與馬達(dá)之間的功率接口更纖小，也更易于設(shè)計(jì)。與分立器件相比，智能功率模塊另外的優(yōu)點(diǎn)是減小了寄生電感及提高了可靠性，這都得益于模塊內(nèi)所有開關(guān)都使用相同的裸片，并便于測(cè)試。這些智能功率模塊包含了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和附加的保護(hù)電路，前者可以直接連接到微控制器的低壓TTL 或 CMOS輸出。模塊內(nèi)整合了監(jiān)控結(jié)溫的熱敏電阻、防止上下橋臂意外導(dǎo)通的邏輯電路，死區(qū)時(shí)間控制電路，以及可以降低EMI的驅(qū)動(dòng)電路等。對(duì)模塊中的驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)行優(yōu)化，可以降低功率開關(guān)器件的EMI和驅(qū)動(dòng)損耗。圖3所示為電器驅(qū)動(dòng)常用的三相驅(qū)動(dòng)模塊。其中，F(xiàn)SBS10N60是600V、額定電流3～30A的IGBT模塊系列的一款，封裝在44mm×26.5mm×5.5mm、帶2500VAC絕緣的緊湊型封裝中。

圖3  智能功率模塊FSBS10N60

對(duì)于更高的額定功率，可用DBC (直接綁定銅) 絕緣代替上面模塊中的陶瓷絕緣。DBC是一種銅-氧化鋁-銅 (有時(shí)是Cu-AlN-Cu)夾層，它具有出色的熱阻和高低溫循環(huán)可靠性。

設(shè)計(jì)人員使用這種模塊可以節(jié)省空間，這一優(yōu)勢(shì)使驅(qū)動(dòng)器能夠在馬達(dá)內(nèi)部軸向安裝，因而無需在電機(jī)外部使用額外的功率驅(qū)動(dòng)板。

過去數(shù)年中，針對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的智能功率模塊在家用電器中獲得越來越多的運(yùn)用，同時(shí)價(jià)格大幅下降。這類模塊靈活性非常高，適用于寬廣的輸入電壓和功率范圍。

高壓橋臂驅(qū)動(dòng)器

另一個(gè)讓緊湊、低成本的模塊能夠成為現(xiàn)實(shí)，從而徹底變革馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的新技術(shù)，是高壓(600V)橋臂驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)代高壓橋臂門極驅(qū)動(dòng)器，如飛兆半導(dǎo)體的FAN7382，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)減小了高壓IC工藝中寄生的源漏電容，從而使驅(qū)動(dòng)器具有足夠的穩(wěn)健性，能承受-9V以上的負(fù)電壓。這種驅(qū)動(dòng)器優(yōu)于上一代驅(qū)動(dòng)器相比的地方是，電源電壓的正負(fù)尖刺不會(huì)造成驅(qū)動(dòng)器閉鎖和控制信號(hào)丟失。而且，匹配傳輸延遲在50ns以下，使到開關(guān)頻率可達(dá)100kHz或150kHz。

這種IC內(nèi)增加的共模dV/dt噪聲消除電路還有助于減少誤導(dǎo)通的可能性，因而提高電源電路的穩(wěn)健性并使芯片更加緊湊，且無需額外的濾波器元件。這類IC(如FAN 7382)的靜態(tài)電流較小，故工作溫度也較低，從而提高可靠性。采用該技術(shù)，可以去掉上幾代馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中非常普遍采用的4個(gè)隔離電源，同時(shí)在微控制器PCB板與功率開關(guān)PCB 板之間也無需光隔離，帶來了板面空間和成本的節(jié)省。

圖4  這種模塊可讓SRM驅(qū)動(dòng)器沿真空吸塵器設(shè)計(jì)軸向安裝

IGBT-NPT比較 PT

二十多年來，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的功率開關(guān)器件首選IGBT。在一定的開關(guān)頻率下，IGBT的選型和設(shè)計(jì)可以降低損耗。對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，這就意味著有多個(gè)IGBT系列。對(duì)應(yīng)某些消費(fèi)馬達(dá)，通常采用5kHz左右的開關(guān)頻率。而許多工業(yè)馬達(dá)應(yīng)用20kHz左右的開關(guān)頻率。同時(shí)，更高的開關(guān)頻率還應(yīng)用在馬達(dá)控制以外的領(lǐng)域。

IGBT的飽和壓降和關(guān)斷損耗的改進(jìn)有助于提供可靠性和降低IGBT模塊的成本。最近5年來，傳統(tǒng)IGBT的能力有了巨大提升，新的NPT(Non-Punch Through)IGBT獲得廣泛運(yùn)用。

NPT IGBT看起來類似于傳統(tǒng)IGBT或PT IGBT，但制造方式截然不同。NPT IGBT不同于MOSFET或傳統(tǒng)IGBT，它采用一塊輕摻雜N型基板作為外延區(qū)。制造NPT IGBT的晶圓經(jīng)過P區(qū)和背面金屬區(qū)添加處理，如圖5b所示。然后再翻轉(zhuǎn)過來，添加IGBT的其他層。

圖5（a）傳統(tǒng)IGBT的X截面圖

圖5（b）NPT IGBT的X截面圖

一般來說，NPT IGBT不像傳統(tǒng)的IGBT速度那么快，飽和壓降 Vce(sat) 也沒有那么低。不過，它們往往更穩(wěn)健，短路或過流條件下的耐受時(shí)間更加長(zhǎng)，故而廣泛用于馬達(dá)控制應(yīng)用。此外，如果對(duì)這兩類IGBT的開關(guān)波形進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)NPT IGBT產(chǎn)生的EMI要明顯少于PT IGBT。NPT IGBT關(guān)斷時(shí)間的波形基本上是單斜率。另一方面，傳統(tǒng)IGBT的下降時(shí)間包含了一個(gè)dI/dt非?？焖俚膮^(qū)域，但其后是長(zhǎng)長(zhǎng)的拖尾，電流下降率非常低，器件損耗很高。在高dI/dt區(qū)，傳統(tǒng)IGBT產(chǎn)生的EMI很高，可能會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器電路，通常必需對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路和功率開關(guān)進(jìn)行隔離。NPT IGBT還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是Vce(sat) 具有負(fù)溫度系數(shù)，這種特性在并聯(lián)IGBT時(shí)十分寶貴。

功率MOSFET

若需要50kHz以上的開關(guān)頻率，除了IGBT之外，還可以采用同封裝的傳統(tǒng)MOSFET或Superjuction MOSFET (電荷平衡MOSFET)。Superjunction MOSFET (在業(yè)界內(nèi)的知名品牌，比如飛兆半導(dǎo)體的SuperFET) 大幅改進(jìn)了功率MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)。這種新型的MOSFET面世已有約10年，相比傳統(tǒng)的MOSFET，制造起來十分復(fù)雜昂貴。然而，它們由隨著擊穿電壓指數(shù)增長(zhǎng)的Rds(on)變成了線性增長(zhǎng)。這讓它們?cè)?00V及以上的較低功率馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中非常具有吸引力。帶快速反并聯(lián)體二極管的傳統(tǒng)MOSFET和Superjunction MOSFET特別適用于小于100W的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

微控制器和DSP

按照摩爾定律，構(gòu)成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器大腦的數(shù)字電路隨時(shí)間穩(wěn)步發(fā)展，功能日益強(qiáng)大?，F(xiàn)在，各種低成本的DSP乃至微控制器都能夠處理電器馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電路在計(jì)算方面的挑戰(zhàn)。此外，DSP和微控制器彼此越來越相似，并專門針對(duì)馬達(dá)控制而設(shè)計(jì)。

最近，低成本8位微控制器已有足夠能力進(jìn)行馬達(dá)矢量控制，并瞄準(zhǔn)電器行業(yè)。

綜上所述，智能功率模塊中每個(gè)元件的進(jìn)步共同實(shí)現(xiàn)了成本更低、可靠性更高的模塊。低成本功率模塊的發(fā)展大幅減少了EMI，增強(qiáng)了安全性，并在許多情況下無需光隔離。這些優(yōu)勢(shì)反過來又大大降低了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的成本、減小其尺寸、增強(qiáng)其可靠性，有助于完成制造更高效率電器的目標(biāo)。