改進電機驅動的三個新設計場所
發(fā)布日期:2023-05-25
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電機驅動設計的技術進步打開了許多大門。例如，在運動控制系統(tǒng)中，更高的精度、效率和控制在用戶體驗和安全、資源優(yōu)化和環(huán)境友好方面提供了許多好處。無刷電機技術的引入是提高整體效率的重要一步。
從有刷到無刷的過渡開始于一段時間之前，并且隨著更多新技術和系統(tǒng)組件的引入而繼續(xù)發(fā)展。然而，與此同時，電子元件的新發(fā)展可實現(xiàn)更好的熱管理、更高的功率密度和小型化，同時允許以具有競爭力的成本執(zhí)行更復雜的任務。
使用一流的半導體技術，低壓和中壓等級的電機設計可以更高效、更小，并為終用戶提供更強大的功能。在這里，工程師可以選擇不同的半導體解決方案來微調他們的電機驅動設計。
終端產(chǎn)品的開關頻率和熱阻等技術參數(shù)設定了對驅動器的要求。接下來，為了構建一個能夠更好地提高功率密度和減小尺寸的優(yōu)化系統(tǒng)，設計人員必須限度地減少損耗（包括傳導損耗和開關損耗）并優(yōu)化熱管理。
本文重點介紹了創(chuàng)建更緊湊、更高效、性能更高的電機驅動器的三個設計場所。
功率封裝技術的改進
隨著機器人和電動工具電池電壓不斷提高的趨勢，電機驅動的功率也在不斷增加。這意味著對功率半導體在高額定電流、耐用性和延長使用壽命方面的要求越來越高。解決這些需求的一個重要場所是新的封裝技術平臺，它根據(jù)具體需求提供三種不同的變體（圖 1）。
圖 1這是 TOLL、TOLG 和 TOLT 封裝技術的廣泛比較。資料：英飛凌
TO-leadless (TOLL) 經(jīng)過優(yōu)化，可處理高達 300 A 的電流，同時增加功率密度并顯著減少占地面積。與 D 2 PAK相比，占地面積減少 30% ，高度減少 50%，整體空間節(jié)省 60%，從而實現(xiàn)更緊湊的設計。
TO 引線鷗翼 (TOLG) 封裝提供與 TO 無引線封裝兼容的封裝。與 TO 無引線相比，鷗翼引線的附加功能可使板載熱循環(huán) (TCoB) 性能提高 2 倍。該封裝在鋁絕緣金屬基板 (Al-IMS) 板上具有出色的性能。
TOLT 是 TOLx 系列中的 O 引線頂部冷卻封裝。通過頂部冷卻，漏極暴露在封裝表面，使 95% 的熱量直接散發(fā)到散熱器，與 TOLL 封裝相比，R thJA 提高了 20%，R thJC提高了 50% 。
三相柵極驅動控制器 IC
新型三相智能電機驅動器 IC 支持使用無刷直流 (BLDC) 或永磁同步 (PMS) 電機開發(fā)高性能電機驅動器。這些設計特別適用于移動機器人、無人機和電動工具應用。
圖 2柵極驅動器控制器 IC 可以與微控制器集成在一個封裝中。資料：英飛凌
通過使用內(nèi)置數(shù)字 SPI 接口的 50 多個可編程參數(shù)，電機驅動器 IC 具有高度可配置性，可驅動范圍廣泛的 MOSFET，從而產(chǎn)生的系統(tǒng)效率。其他好處包括：
• 減少外部元件和 PCB 面積
• 優(yōu)化效率和電磁干擾 (EMI)
• 使用不同逆變器 FET 的靈活性
• 高精度電流感測，同時節(jié)省外部元件
• 更高的動態(tài)范圍以提高信號分辨率
• 提高可靠性和故障檢測
• 用于提高效率和功率密度的 GaN
在某些情況下，一個重要的設計目標是將電力電子設備集成到電機附近或同一外殼內(nèi)。潛在的好處包括提高功率密度、降低物料清單 (BoM) 成本（因為電機和電子設備都可以放置在更小的外殼中）以及由于更高的系統(tǒng)效率而節(jié)省的成本。
通常，散熱和大容量電容一直是集成電機驅動器 (IMD) 的限制因素。轉向基于氮化鎵 (GaN) 的設計為克服開關速度和輸出功率之間具有挑戰(zhàn)性的權衡奠定了基礎?？梢酝ㄟ^使用磁場定向控制 (FOC) 實現(xiàn)的更高開關頻率可帶來眾多系統(tǒng)優(yōu)勢，包括減少大容量電容、降低電機紋波電流、降低扭矩紋波和減少噪聲。更高的頻率還可以降低電機溫度。這種結合導致更高的端到端系統(tǒng)效率改進。
在無人機中，系統(tǒng)效率優(yōu)勢不僅使設計更高效，因為損耗更低，而且體積更小，這是使無人機更輕、飛行時間更長的關鍵優(yōu)勢。
走向未來
更高的產(chǎn)品集成度使工程師更容易實施現(xiàn)成的解決方案，從而縮短上市時間。將高集成度與廣泛的可編程特性相結合，如在電機驅動器 IC 中，可帶來競爭優(yōu)勢和系統(tǒng)靈活性。接下來，新封裝和寬帶隙技術提供了額外的運動控制系統(tǒng)優(yōu)勢，例如：
新的封裝設計提供了優(yōu)化的熱管理，因為開關損耗總是伴隨著功率開關中的熱量。
新型寬帶隙器件為更高開關頻率驅動奠定了基礎，有助于提高精度和尺寸。
要開發(fā)競爭力的運動控制系統(tǒng)，設計人員必須利用所有的可用技術。
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