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技術(shù)分享

利用封裝、IC和GaN技術(shù)提升電機(jī)驅(qū)動性能

發(fā)布時(shí)間：2023-10-15 11:07:22 瀏覽：725次

作者：Nenad Belancic，Adam Gozdzicki

電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)方面的技術(shù)進(jìn)步為我們開啟了許多大門。例如在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，更高精度、效率和控制能力給用戶體驗(yàn)性和安全性、資源優(yōu)化以及環(huán)境友好性等方面帶來了諸多好處。無刷電機(jī)技術(shù)的引入則是業(yè)界朝著全面提升效率邁出的重要一步。

從有刷到無刷的轉(zhuǎn)換已經(jīng)有很長時(shí)間了，隨著更多新技術(shù)和系統(tǒng)組件的引入，還在繼續(xù)向前發(fā)展。與此同時(shí)，電氣元件的最新發(fā)展也使得更好的熱管理、更高的功率密度和小型化成為可能，從而能以更具競爭力的成本執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

業(yè)界一流的半導(dǎo)體技術(shù)能使低中壓等級的電機(jī)設(shè)計(jì)更加高效和小巧，并為終端用戶提供更強(qiáng)的功能。工程師們可以選擇不同的半導(dǎo)體解決方案，來進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)。

終端產(chǎn)品的開關(guān)頻率和熱阻等技術(shù)參數(shù)為驅(qū)動器提出了一定的要求。為了創(chuàng)建一個(gè)能夠提高功率密度并縮小尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師必須盡量降低損耗：包括傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，并改善熱管理性能。

大功率封裝技術(shù)改進(jìn)

伴隨著機(jī)器人和電動工具中電池電壓不斷提高的趨勢，電機(jī)驅(qū)動器功率也在不斷提高。這就意味著在高額定電流、耐用性和延長壽命方面，對功率半導(dǎo)體的要求越來越高。滿足這些要求的一個(gè)具有深遠(yuǎn)意義的場景是新的封裝技術(shù)平臺，它有三種不同的變化，其選用取決于具體需求(參見圖1)。

圖1：TOLL、TOLG和TOLT封裝技術(shù)全面比較。來源：英飛凌

經(jīng)過優(yōu)化的TO無引腳(TOLL)可以處理高達(dá)300A的電流，在大幅減少占位面積的情況下，提高了功率密度。與D2PAK相比，占位面積減小了30%，高度降低了50%，因此總體上節(jié)省了60%的空間，使得設(shè)計(jì)更加緊湊。

帶鷗翼的TO有引腳(TOLG)封裝，提供了一個(gè)與TO無引腳封裝兼容的外形尺寸。相對于無引腳式，鷗翼式引腳的額外優(yōu)點(diǎn)是使得板上熱循環(huán)(TCOB)性能提高了2倍。這種封裝在絕緣鋁金屬基板(Al-IMS)上的性能非常出色。

TOLT是TOLx系列中采用TO有引腳頂端冷卻方式的一種封裝。通過頂端冷卻，漏極暴露在封裝表面，使95%的熱量能夠直接散發(fā)到散熱器上，與TOLL封裝相比，RthJA提高了20%，RthJC提高了50%。

三相柵極驅(qū)動控制器芯片

新的三相智能電機(jī)驅(qū)動芯片，可以用來開發(fā)出采用無刷直流(BLDC)或永磁同步(PMS)電機(jī)的高性能電機(jī)驅(qū)動器。這些設(shè)計(jì)特別適合于移動機(jī)器人、無人機(jī)和電動工具應(yīng)用。

圖2：柵極驅(qū)動控制器芯片可以與微控制器集成在同一封裝中。來源：英飛凌

借助使用內(nèi)置數(shù)字SPI接口的50多個(gè)可編程參數(shù)，電機(jī)驅(qū)動器芯片可實(shí)現(xiàn)高度可配置，可以驅(qū)動各類廣泛的MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)效率。其他優(yōu)點(diǎn)還包括：

·減少外部元件數(shù)量，減小PCB面積

·更優(yōu)異的效率和電磁干擾(EMI)性能

·在使用不同的逆變器FET方面具有最大的靈活性

·具有高精度的電流檢測能力，同時(shí)可節(jié)省外部元件數(shù)量

·更高的動態(tài)范圍，可進(jìn)一步提高信號分辨率

·更高的可靠性和故障檢測能力

·利用氮化鎵提高了效率和功率密度

在某些情況下，重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將功率電子器件集成在靠近電機(jī)的地方或同一殼體內(nèi)。這種設(shè)計(jì)的潛在好處包括提高功率密度和降低BoM成本，因?yàn)殡姍C(jī)和電子元器件可以放在一個(gè)較小的殼體內(nèi)，借助系統(tǒng)效率的提升而節(jié)省了成本。

通常情況下，散熱和大電容一直是影響集成式電機(jī)驅(qū)動器(IMD)性能的不利因素。通過基于氮化鎵(GaN)的設(shè)計(jì)，為克服開關(guān)速度和最大輸出功率之間的艱難權(quán)衡提供了條件。利用面向場的控制(FOC)，實(shí)現(xiàn)了更高開關(guān)頻率，進(jìn)而帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢，包括減小大電容容量、降低電機(jī)紋波電流、降低扭矩紋波和聲學(xué)噪音等。另外，更高的頻率還能降低電機(jī)溫度。這種組合可以實(shí)現(xiàn)更高的端到端系統(tǒng)效率改進(jìn)。

在無人機(jī)中，提升系統(tǒng)效率后，其好處不僅因損耗減少能使設(shè)計(jì)效率更高，而且體積變得更小，這是無人機(jī)變得更輕從而飛得更遠(yuǎn)的一個(gè)關(guān)鍵。

展望未來

更高的產(chǎn)品集成度可以幫助工程師更加容易地實(shí)現(xiàn)即買即用型解決方案，從而縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。正如電機(jī)驅(qū)動芯片那樣，將高集成度與廣泛的可編程功能結(jié)合在一起，可以形成競爭性優(yōu)勢和系統(tǒng)靈活性。新的封裝和寬帶隙技術(shù)還能提供額外的電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)勢，例如：

新的封裝設(shè)計(jì)可以提供更優(yōu)化的熱管理性能，因?yàn)楣β书_關(guān)的發(fā)熱總是與開關(guān)損耗密不可分。

新的寬帶隙器件為更高的開關(guān)頻率驅(qū)動奠定了基礎(chǔ)，在提高精度和縮小占位面積方面均大有裨益。

為了開發(fā)出最具競爭力的電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師必須充分利用好所有最新的可用技術(shù)。