從先進器件到系統(tǒng)級方案 羅姆傾情助力工業(yè)電機設(shè)計

引言

作為全球能源消耗的重點產(chǎn)品，各類電機消耗了全球一半以上的電力資源，足見電機應(yīng)用在整個社會運轉(zhuǎn)中的重要作用，特別是在各種數(shù)字化產(chǎn)業(yè)升級趨勢的引領(lǐng)下，功能越來越強大的電機系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，如何實現(xiàn)更高效更節(jié)能的電機系統(tǒng)對整個工業(yè)系統(tǒng)的運行效率和成本效益起著決定性的作用，對整個世界的節(jié)能環(huán)保同樣意義非凡。

正文

工業(yè)電機是電機應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域，沒有高效的電機系統(tǒng)就無法搭建先進的自動化生產(chǎn)線，由于應(yīng)用條件比較苛刻和對性能要求比較嚴(yán)格，設(shè)計復(fù)雜的工業(yè)電機系統(tǒng)涉及眾多元器件產(chǎn)品，不同產(chǎn)品在整個系統(tǒng)中各司其職，共同打造出高效可靠的完整電機解決方案。對典型的工業(yè)電機系統(tǒng)來說，除了標(biāo)準(zhǔn)的電機控制單元之外，功率器件決定著系統(tǒng)的能效，控制電源能夠確保系統(tǒng)的可靠性，傳感器則能大幅提升系統(tǒng)的自動化和智能化，出色的電機系統(tǒng)同樣離不開這些器件的協(xié)同工作。

為了滿足用戶的全新需求，羅姆不僅提供各種先進的電機系統(tǒng)用先進器件如功率器件、傳感器接口和穩(wěn)壓器等，還打造了諸多系統(tǒng)級解決方案，助力客戶打造先進的工業(yè)電機系統(tǒng)。

1  高效功率器件助力高效率電機系統(tǒng)

輸出功率是電機系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一，輸入輸出功率比則是代表了電機的工作效率，如何充分的提升工業(yè)電機系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率需要充分的提升電機的輸出功率，采用先進的功率器件能夠直觀的提升系統(tǒng)的效率。羅姆的功率元器件產(chǎn)品以各種形式呈現(xiàn)優(yōu)良特性，并通過能夠發(fā)揮特性的解決方案設(shè)計，滿足客戶的需求。對于不同的設(shè)計特點，羅姆能夠提供從半導(dǎo)體晶圓到芯片，從分立器件到功率模塊等多樣化產(chǎn)品，從而充分的滿足客戶設(shè)計要求。

作為第三代半導(dǎo)體代表性技術(shù)，SiC材料的功率器件具有高耐壓大功率等特點，非常適合追求更高的頻率和更高效率的系統(tǒng)，羅姆作為研究SiC材料最早的廠商之一，可以提供內(nèi)置優(yōu)良的高電壓、大電流功率元器件的高性能模塊，并且還能提供以芯片、功率封裝、表面貼裝封裝等多種規(guī)格的高性能SiC MOSFET和SiC SBD（肖特基勢壘二極管）等產(chǎn)品，即使不斷提高頻率也能維持整個系統(tǒng)的高效率，從而加快了客戶面向工業(yè)設(shè)備電機的創(chuàng)新。

除了新材料的SiC MOSFET和 SBD之外，羅姆專為電機及逆變器的節(jié)能化開發(fā)的PrestoMOS?系列對內(nèi)置600V超級結(jié)MOSFET的二極管進行了優(yōu)化，其恢復(fù)時間（trr）相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品減少了80%，同時可以有效降低開關(guān)損耗、提升電機系統(tǒng)的再生性能，降低電機系統(tǒng)的EMI噪聲，抑制制動時的逆起電壓。

另一方面，羅姆的650V耐壓快恢復(fù)二極管，可以安全抑制制動時的逆起電壓，并通過反復(fù)改進軟恢復(fù)特性，提供了恢復(fù)時間與正向電壓折中的特性，易于實現(xiàn)電機系統(tǒng)的低EMC噪聲。特別的，羅姆根據(jù)實際不同的需要，提供了突出軟恢復(fù)并實現(xiàn)包括振鈴在內(nèi)的低噪聲化的“低正向電壓/超低噪聲系列”和通過實現(xiàn)高速恢復(fù)降低了恢復(fù)能量的“高恢復(fù)時間/超低噪聲”系列，滿足客戶的不同系統(tǒng)設(shè)計需求。

此外，羅姆還提供柵極驅(qū)動器和內(nèi)置絕緣元件的柵極驅(qū)動器系列產(chǎn)品。通過以多通道柵極驅(qū)動器緊湊的構(gòu)成逆變器驅(qū)動電路，可以安全的構(gòu)建半橋應(yīng)用，從而防止高邊和低邊同時開路，通過提供1200V高邊浮動耐壓，助力客戶開發(fā)安全性和功能性兼顧的電機系統(tǒng)。特別的，羅姆提供內(nèi)置自舉二極管的BS2132F產(chǎn)品，在以6通道高邊和低邊構(gòu)建緊湊的系統(tǒng)的同時，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定過電流檢測值，從而提高系統(tǒng)安全性。內(nèi)置絕緣元件的柵極驅(qū)動器產(chǎn)品方面，羅姆可以提供3,750V絕緣耐壓的驅(qū)動器，并以超薄封裝實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。而具有2,500V絕緣耐壓以及多種安全性能的產(chǎn)品系列，可以通過監(jiān)視柵極狀態(tài)檢測功率器件的驅(qū)動異常，并通過溫度關(guān)斷預(yù)防熱失控，還能通過軟關(guān)斷安全的控制功率元器件，從而大幅提升電機系統(tǒng)的可靠性。

2   決定電機系統(tǒng)穩(wěn)定的穩(wěn)壓器

穩(wěn)定是工業(yè)電機系統(tǒng)最重要的安全性能指標(biāo)之一，穩(wěn)定的電機控制系統(tǒng)首先需要正確且穩(wěn)定的控制電源，羅姆作為能夠提供功率元器件和電源控制技術(shù)的綜合電源系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，除了提供轉(zhuǎn)換器、變頻器、控制電路的一級側(cè)電源和二級側(cè)非絕緣電源用DC/DC轉(zhuǎn)換器以及輸入+24V絕緣電源之外，還提供了包括參考設(shè)計、定制電路支持、變壓器設(shè)計支持、從AC/DC到DC/DC的一條路設(shè)計支持以及相關(guān)電氣特性的測試支持等服務(wù)。

羅姆提供的AC400V~AC690V控制電源用高耐壓一次電源解決方案提供外置SiC MOSFET和內(nèi)置SiC MOSFET兩種形態(tài)，還備有易于進行動作評估的評估套件、應(yīng)用說明，可以助力客戶的整機設(shè)計并擴大了適用范圍。該方案充分發(fā)揮了專為工業(yè)設(shè)備輔助設(shè)備電源開發(fā)的1700V耐壓SiC MOSFET的高速性和低RDS（on） 的一次電源電路與SiC專用高壓輸入AC/DC控制器組合，為客戶提供了綜合解決方案的參考設(shè)計。在AC100V~AC240V的控制電源用中耐壓一次電源IC方面，羅姆提供了內(nèi)置650V/800V MOSFET 的AC/DC轉(zhuǎn)換器的參考方案，具有輸入AC電壓監(jiān)測、高精度2次側(cè)過壓保護、電流檢測電阻的開路和短路保護以及動態(tài)過電流限制等功能，并提供10年供應(yīng)保障的低EMI LB級別的驅(qū)動電路。此外，羅姆還提供了可廣泛應(yīng)用于商用電源（AC90V~AC264V）及DC24V~28V電源用圖的絕緣用控制IC系列，通過選擇直流外置低耐壓的MOSFET或交流外置650V/800V MOSFET，構(gòu)成適用于輸入電壓的絕緣型開關(guān)電源電路。

在穩(wěn)壓應(yīng)用方面，羅姆還提供二次電源用恒壓穩(wěn)壓器和浪涌吸收用二極管，以及高效率小型化的二次電源用DC/DC轉(zhuǎn)換器，供客戶在設(shè)計完整電機系統(tǒng)時選擇采用。

3   傳感——精確運動控制的得力助手

電機系統(tǒng)最主要的工作任務(wù)之一就是運動控制，而運動控制需要正確傳遞動作的傳感器，對電機系統(tǒng)來說，將傳感器的模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換器非常重要。羅姆在這方面同樣提供了先進且品類豐富的元器件，比如準(zhǔn)確安全的檢測電流所需要的電流檢測用分流電阻器、旗下Kionix檢測振動并通知設(shè)備異常的三軸加速度傳感器，以及AD轉(zhuǎn)換器等模擬接口豐富的旗下LAPIS工業(yè)用微控制器ML62Q1000系列等，滿足客戶對各種工業(yè)電機的設(shè)計需求。

羅姆的GMR系列大功率低電阻分流電阻器具有在大功率區(qū)域損耗少并能以高精度進行電流檢測的優(yōu)勢，通過優(yōu)化了電極結(jié)構(gòu)和電阻體元件的設(shè)計，大幅降低了發(fā)熱，結(jié)合在較低電阻領(lǐng)域也能達到優(yōu)良的電阻溫度系數(shù)和可實現(xiàn)較高的額定功率保證等優(yōu)點，大幅提升了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。適用于中功率電機的電流傳感器用途的分流電阻器LTR低阻值系列，通過采用長邊電極結(jié)構(gòu)來縮短端子間的距離，減輕對焊接結(jié)合部的機械應(yīng)力，從而更適應(yīng)溫度變化并大幅提升連接的可靠性。

工業(yè)電機系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)獲取是傳感器的重要應(yīng)用，獲取這些數(shù)據(jù)有助于對電機系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況和健康情況進行更好的監(jiān)測。在工業(yè)設(shè)備的健康監(jiān)測用途方面，羅姆旗下Kionix的三軸加速度傳感器KX134-1211和KX132-1211的工作溫度提升到105度，廣泛適用于各種頻率和加速度監(jiān)測，特別符合工業(yè)設(shè)備的電機振動分析等機器健康監(jiān)測的需求。羅姆的溫度傳感器IC則在單芯片中內(nèi)置了溫度監(jiān)測元件、恒流電流、高精度基準(zhǔn)電源電壓，可用于需要溫度檢測的各種電子設(shè)備。

單相AC100V~AC240V非絕緣電機驅(qū)動系統(tǒng)方框圖

4.  發(fā)揮器件優(yōu)勢，構(gòu)建系統(tǒng)級方案

借助自身元器件在高效和高可靠性的優(yōu)勢，羅姆將功率器件、穩(wěn)壓器和傳感控制三大應(yīng)用方面適合的產(chǎn)品組成解決方案，希望能夠幫助客戶借助羅姆的技術(shù)更快速高效地開發(fā)先進的電機系統(tǒng)，從而更好的服務(wù)于不斷變革的工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)。

三相AC100~240V輸入工業(yè)用AC伺服系統(tǒng)方框圖

4.1  三相AC400V輸入工業(yè)用逆變器驅(qū)動器方案

在率先推出的三大系統(tǒng)級解決方案中，三相AC400V輸入工業(yè)用逆變器驅(qū)動器方案可以說是對功率元器件嚴(yán)峻的考驗。該方案集合了羅姆眾多SiC元器件和功率模塊，作為SiC元器件的先驅(qū)，羅姆不僅開發(fā)了多種先進的SiC器件，還在開發(fā)IGBT元器件，并提供驅(qū)動元器件的柵極驅(qū)動器、用于控制電源的內(nèi)置SiC的AC/DC轉(zhuǎn)換器等，配合傳感器接口和穩(wěn)壓器等產(chǎn)品，便于客戶快速打造適合需求的高可靠性高效率解決方案。

三相AC400V輸入工業(yè)用變頻電機系統(tǒng)方框圖

4.2  三相AC100~240V輸入工業(yè)用AC伺服系統(tǒng) 

相比而言，中壓應(yīng)用方面的三相AC100~240V輸入工業(yè)用AC伺服系統(tǒng)則是展現(xiàn)了羅姆以柵極驅(qū)動器、功率元器件一體型的IPM為中心的綜合元器件開發(fā)能力，該方案整合了600V IGBT-IPM和制動器用的IGBT、快速恢復(fù)二極管以及內(nèi)置3750V耐壓絕緣元件的柵極驅(qū)動器等。對于AC伺服系統(tǒng)，傳感器的重要性不亞于功率器件，羅姆在該方案中提供了助力控制系統(tǒng)的豐富傳感器和微控制器產(chǎn)品，包括工業(yè)設(shè)備專用的旗下Kionix的3軸加速度傳感器和旗下LAPIS的強化微控制器等，從而為客戶提供完整而又便于快速成型的系統(tǒng)級解決方案。

對自動門、屏蔽門等嵌入式工業(yè)設(shè)備，以及對電池驅(qū)動的AGV、電動輪椅和福利設(shè)施等非絕緣電機應(yīng)用，羅姆也可以根據(jù)用途以系統(tǒng)的形式提供各種產(chǎn)品和完整解決方案，為設(shè)備啟動提供快速支持。在羅姆的AC100~240C和DC24V~48V非絕緣電機驅(qū)動系統(tǒng)解決方案中，羅姆提供了600V IGBT-IPM、IGBT/MOSFET高低邊3相橋驅(qū)動器和工業(yè)用16位微控制器等產(chǎn)品，便于客戶更好的搭配適合自己的設(shè)計需求。4.3  AC100~240V、DC24V~48V非絕緣電機驅(qū)動系統(tǒng)方案

特別是，隨著AI技術(shù)的廣泛應(yīng)用，羅姆還推出了為AI智能控制的AGV、用于醫(yī)療及護理現(xiàn)場的移動方式和近距離通勤車的小型移動工具開發(fā)的，以充電電池為動力源的低電壓、非絕緣電機驅(qū)動參考設(shè)計（根據(jù)用途不同提供~50W，~150W和~300W三種），并提供了綜合設(shè)計支持，對于從啟動時就需要低速、高扭矩的應(yīng)用，利用羅姆的預(yù)驅(qū)動器、柵極驅(qū)動器和MOSFET等器件，實現(xiàn)了小型高效率的參考設(shè)計方案。

DC24V~DC48V工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)方框圖

5   展望

“萬丈高樓平地起，一磚一瓦皆根基”，于工業(yè)電機設(shè)計而言亦是如此，工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展與電機產(chǎn)品的技術(shù)進步是相輔相成的。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的信息化和自動化程度不斷加深，集成電機、診斷、保護、控制、通信等功能的完備的智能電機系統(tǒng)需求也將越來越大，要求越來越嚴(yán)，而羅姆將持續(xù)著力于工業(yè)電機內(nèi)部的各類先進器件，用更多創(chuàng)新的產(chǎn)品與解決方案，助力客戶打造順應(yīng)時代需求的現(xiàn)代工業(yè)電機系統(tǒng)。