【導讀】電機驅動設計方面的技術進步為我們開啟了許多大門。例如在運動控制系統(tǒng)中，更高精度、效率和控制能力給用戶體驗性和安全性、資源優(yōu)化以及環(huán)境友好性等方面帶來了諸多好處。無刷電機技術的引入則是業(yè)界朝著全面提升效率邁出的重要一步。
電機驅動設計方面的技術進步為我們開啟了許多大門。例如在運動控制系統(tǒng)中，更高精度、效率和控制能力給用戶體驗性和安全性、資源優(yōu)化以及環(huán)境友好性等方面帶來了諸多好處。無刷電機技術的引入則是業(yè)界朝著全面提升效率邁出的重要一步。
從有刷到無刷的轉換已經(jīng)有很長時間了，隨著更多新技術和系統(tǒng)組件的引入，還在繼續(xù)向前發(fā)展。與此同時，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)行更復雜的任務。
業(yè)界一流的半導體技術能使低中壓等級的電機設計更加高效和小巧，并為終端用戶提供更強的功能。工程師們可以選擇不同的半導體解決方案，來進一步優(yōu)化電機驅動設計。
終端產(chǎn)品的開關頻率和熱阻等技術參數(shù)為驅動器提出了一定的要求。為了創(chuàng)建一個能夠提高功率密度并縮小尺寸的最優(yōu)設計，設計師必須盡量降低損耗：包括傳導損耗和開關損耗，并改善熱管理性能。
大功率封裝技術改進
伴隨著機器人和電動工具中電池電壓不斷提高的趨勢，電機驅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，對功率半導體的要求越來越高。滿足這些要求的一個具有深遠意義的場景是新的封裝技術平臺，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，使得設計更加緊湊。
帶鷗翼的TO有引腳(TOLG)封裝，提供了一個與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%。
三相柵極驅動控制器芯片
新的三相智能電機驅動芯片，可以用來開發(fā)出采用無刷直流(BLDC)或永磁同步(PMS)電機的高性能電機驅動器。這些設計特別適合于移動機器人、無人機和電動工具應用。
圖2：柵極驅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多個可編程參數(shù)，電機驅動器芯片可實現(xiàn)高度可配置，可以驅動各類廣泛的MOSFET，從而實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)效率。其他優(yōu)點還包括：
·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，同時可節(jié)省外部元件數(shù)量
·更高的動態(tài)范圍，可進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，重要的設計目標是將功率電子器件集成在靠近電機的地方或同一殼體內(nèi)。這種設計的潛在好處包括提高功率密度和降低BoM成本，因為電機和電子元器件可以放在一個較小的殼體內(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驅動器(IMD)性能的不利因素。通過基于氮化鎵(GaN)的設計，為克服開關速度和最大輸出功率之間的艱難權衡提供了條件。利用面向場的控制(FOC)，實現(xiàn)了更高開關頻率，進而帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢，包括減小大電容容量、降低電機紋波電流、降低扭矩紋波和聲學噪音等。另外，更高的頻率還能降低電機溫度。這種組合可以實現(xiàn)更高的端到端系統(tǒng)效率改進。
在無人機中，提升系統(tǒng)效率后，其好處不僅因損耗減少能使設計效率更高，而且體積變得更小，這是無人機變得更輕從而飛得更遠的一個關鍵。
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現(xiàn)即買即用型解決方案，從而縮短產(chǎn)品的上市時間。正如電機驅動芯片那樣，將高集成度與廣泛的可編程功能結合在一起，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還能提供額外的電機控制系統(tǒng)優(yōu)勢，例如：
新的封裝設計可以提供更優(yōu)化的熱管理性能，因為功率開關的發(fā)熱總是與開關損耗密不可分。
新的寬帶隙器件為更高的開關頻率驅動奠定了基礎，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控制系統(tǒng)，設計師必須充分利用好所有最新的可用技術。
（本文轉載自： 電子工程專輯微信公眾號，作者：Nenad Belancic，Adam Gozdzicki）
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