更高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本挑戰(zhàn)和解決方案

　　摘要： 汽車與工業(yè)/消費(fèi)電子電機(jī)行業(yè)之間具有類似的需求和挑戰(zhàn)。為了減少 CO2的排放率，這兩個(gè)行業(yè)都在尋求替代能源，創(chuàng)建能夠減少傳統(tǒng)能耗的更高效系統(tǒng)。變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)應(yīng)用了幾十年，經(jīng)過事實(shí)驗(yàn)證的可靠電機(jī)設(shè)計(jì)需要半導(dǎo)體器件支持和更復(fù)雜控制的解決方案。滿足這些需要和挑戰(zhàn)就能夠滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需要。

　　圖 1. 汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子電機(jī)的環(huán)保和能耗趨勢(shì)概述

　　根據(jù) OICA[1]，人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化可能是 21 世紀(jì)人類社會(huì)面臨的最大挑戰(zhàn)，而 CO2是一個(gè)主要副產(chǎn)物(圖 1)。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會(huì)各界和各行各業(yè)做些積極的事情來控制 CO2對(duì)氣候變化的影響。世界資源研究所關(guān)于全球資源 CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16% 來自機(jī)動(dòng)車輛，44% 來自發(fā)電和加熱。40% 電力由工業(yè)和消費(fèi)電子電機(jī)消耗[2]。隨著全球人口增加、需求越來越大，城鎮(zhèn)化帶來更多便利性，越來越多的車輛帶來更大移動(dòng)性，對(duì)更多電力的需求意味著需要尋找能夠最大程度地減少 CO2排放量以便最大程度地降低社會(huì)成本的其他措施。CO2排放量肯定會(huì)增加，但可通過一些方法來減緩氣候變化。本文針對(duì)汽車和電機(jī)行業(yè)介紹能夠減緩 CO2增長(zhǎng)速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

　　- 汽車： 車輛電氣化

　　減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少 CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，研究替代燃料來源以及如何改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。長(zhǎng)期挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)周期的長(zhǎng)時(shí)間(也就是 5-7 年)概念，支持新架構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價(jià)格可行的的替代燃料來源[3]。使用新燃料并不重要，因?yàn)檐囕v設(shè)計(jì)需要滿足預(yù)定的質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。近期挑戰(zhàn)包括減少動(dòng)力系統(tǒng)的重量和尺寸并實(shí)現(xiàn)車輛電氣化。車輛電氣化(圖 2)是將機(jī)械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)。實(shí)例包括選擇較小電機(jī)，輔以電動(dòng)增壓器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)水泵、電驅(qū)動(dòng)空調(diào)和電氣推動(dòng)系統(tǒng)。解決這些挑戰(zhàn)有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產(chǎn) CO2排放量更少的車輛。

　　圖 2. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(車輛電氣化的一個(gè)實(shí)例)

　　- 工業(yè)和消費(fèi)電子： 感應(yīng)電機(jī)到變頻電機(jī)(ECM、無刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機(jī)有助于減少 CO2排放量。人們?cè)诓粩嘌芯扛?jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)(8-15 年無故障壽命)、重點(diǎn)關(guān)注可再生、替代能源的研發(fā)投資[4]、以及能夠最大程度地提高各種電機(jī)效率的復(fù)雜控制和變頻驅(qū)動(dòng)。面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇是尋找合適的應(yīng)用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機(jī) 90% 的可靠感應(yīng)電機(jī)，并使用更高效電機(jī)(包括風(fēng)扇和泵)，來循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢(shì)包括電子整流電機(jī) (ECM) 或無刷直流 (BLDC) 電機(jī)，以及專業(yè)開關(guān)磁阻 (SR) 電機(jī)。對(duì)變頻電機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求可以節(jié)省電機(jī)消耗電力的約 30%，或者說節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機(jī)有助于降低 CO2排放的增長(zhǎng)率。

　　- 最終影響趨勢(shì)的解決方案和平衡

　　電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服很多挑戰(zhàn)才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在汽車和工業(yè)/消費(fèi)電子應(yīng)用中，環(huán)境和應(yīng)用條件都很嚴(yán)峻，并且總擁有成本必須經(jīng)過嚴(yán)格審查。例如，汽車機(jī)架式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能遇到超過 100?C 的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負(fù)載，并且會(huì)接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時(shí)要求提供 150 A 或更高的電機(jī)相電流，而損耗最小。家用電器和工業(yè)電機(jī)和泵都是針對(duì)放置于幾乎沒有強(qiáng)制氣流的外殼中的設(shè)計(jì)和電路。高效電機(jī)將不同的電機(jī)技術(shù)、復(fù)雜的控制、熱機(jī)械創(chuàng)造性設(shè)計(jì)、新封裝、和新硅技術(shù)融合到功率半導(dǎo)體中。若電源結(jié)構(gòu)和工作條件[5]已定義好，則效率決定因素包括電機(jī)技術(shù)類型、不同脈寬調(diào)制 (PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

　　解決方案 #1： 恢復(fù)和改進(jìn)的電機(jī)技術(shù)

　　雖然滿載效率評(píng)級(jí)較高，但是大部分電機(jī)均不是以滿載條件運(yùn)轉(zhuǎn)。哪種電機(jī)技術(shù)最好? 看情況而定。大多數(shù)ACIM在 75% 至 90% 的額定負(fù)載下以最高效率運(yùn)行。ACIM 的轉(zhuǎn)子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產(chǎn)生，而其磁芯損耗是由鐵轉(zhuǎn)子和定子中的渦電流和滯后效應(yīng)導(dǎo)致的。對(duì)于通常以峰值幾分之一的負(fù)載使用電機(jī)的應(yīng)用而言，通過優(yōu)化預(yù)期負(fù)載范圍內(nèi)的效率，每年節(jié)省下來的能量相當(dāng)于節(jié)省電機(jī)/控制采購價(jià)格的 50%。 能源部 (DOE) 預(yù)計(jì) 44% 的工業(yè)電機(jī)(記得 90% 已安裝電機(jī)為感應(yīng)電機(jī))始終以低于其額定負(fù)載的 40% 運(yùn)行。平均來說，交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM) 僅提供 44% 的效率，而 BLDC 電機(jī)通常以 65% 至 90% 的效率運(yùn)行。 作為電動(dòng)汽車牽引電機(jī)，下面圖 3 比較了 ACIM 和 BLDC 的電機(jī)效率(實(shí)際上，此處為室內(nèi)永磁交流電機(jī))。 由于 BLDC 電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，BLDC 電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅損。BLDC 電機(jī)還具有更高效變速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，而在類似負(fù)載條件下傳統(tǒng) ACIM 僅提供 15-40% 的效率。新電機(jī)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的更復(fù)雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM)、正弦電機(jī)(即永磁交流和永磁同步電機(jī))和 ECM 或無刷直流 (BLDC) 電機(jī)的效率。

　　圖 3 電動(dòng)汽車牽引電機(jī)效率比較

　　解決方案 #2： 通過 PWM 提高效率的方法

　　理想的電機(jī)功率波形可以顯著提高效率。有很多種 PWM 方法，每種都有利有弊(表 1)。連續(xù) PWM (CPWM) 比如正弦 PWM 和空間矢量 PWM (SVPWM) 是指電源電壓波形輸送到電機(jī)三相前的調(diào)制。非連續(xù) PWM (DPWM) 是指基于空間矢量 PWM的兩相調(diào)制，因?yàn)殡姍C(jī)只有兩相進(jìn)行 PWM，而第三相配合始終“導(dǎo)通”的高側(cè)或低側(cè)晶體管運(yùn)行。DPWM 產(chǎn)生較低的開關(guān)損耗，但會(huì)產(chǎn)生施加到電機(jī)的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到 DPWM 變化和各種控制方法比如磁場(chǎng)定向控制 (FOC)、變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 和梯形控制。本文提到的 SVPWM 和 DPWM 方法可視為三次諧波注入技術(shù)。通常來說，開關(guān)損耗和電源電壓波形質(zhì)量比較表明較低調(diào)制下的 SVPWM 和高調(diào)制范圍內(nèi)的 DPWM 方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體器件和恰當(dāng)?shù)?PWM 控制方法，從而產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娫措妷翰ㄐ?，有助于高效推?dòng)一種電機(jī)技術(shù)[6]。

　　表 1： 按照利弊和應(yīng)用要求選擇 PWM 類型

　　解決方案 #3： 功率半導(dǎo)體器件支持

　　功率電子設(shè)計(jì)中一個(gè)經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導(dǎo)體之間的選擇。有人可能會(huì)認(rèn)為使用分立器件的歷史習(xí)慣、物理布局的靈活性以及各個(gè)功率半導(dǎo)體廠家提供的廣泛可用部件都是致使功率模塊與分立器件之間爭(zhēng)論不休的因素。此外，從既定分立功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換到功率模塊需要額外的客戶研發(fā)工作。這個(gè)選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的 3 個(gè)關(guān)鍵因素和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物：

　　• 電池/總線互聯(lián)、功率級(jí)，和電機(jī)

　　• 效率

　　• EMI/EMC

　　• 熱堆疊設(shè)計(jì)

　　• PCB 元件到散熱片熱阻

　　• 可靠性、成本和產(chǎn)量

　　• 空間限制

　　僅僅為了降低成本而替換有效的分立解決方案，從而追求模塊解決方案，通常不是一個(gè)好主意。若分立器件不能滿足五個(gè)要求中的一個(gè)或多個(gè)要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個(gè)要求是：

　　• 可靠性

　　• 結(jié)構(gòu)緊湊

　　• 電氣性能

　　• 增值互聯(lián)

　　• 熱性能

　　在電氣、機(jī)械和熱領(lǐng)域的交互方面出現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級(jí)的高電流或低寄生效應(yīng)互聯(lián)，逆變器與電機(jī)之間的高電流接口，從逆變器到支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)械互聯(lián)，以及逆變功率器件和冷卻劑之間的高效熱互聯(lián)。冷卻劑或散熱器通常僅僅是熱空氣或高溫金屬。合適的功率模塊有助于解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素與剛才強(qiáng)調(diào)的要求之間的平衡。

　　對(duì)于三相 ACIM 和 BLDC 變頻驅(qū)動(dòng)，存在六個(gè)驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因?yàn)楫?dāng)線路電壓、功率需求和工作溫度上升時(shí)，IGBT 具有卓越的傳導(dǎo)性能。線路電壓總線輸入和變頻驅(qū)動(dòng)器通常需要功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)，以便最大化來自電網(wǎng)的功率級(jí)。在較低電壓如 12 V 至 48 V 電池/總線電壓下，MOSFET 為首選并且是可行的，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)和開關(guān)性能通常超過 IGBT。從逆變器電路到電機(jī)的理想功率波形可以顯著提高效率。

　　-設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的電氣挑戰(zhàn)

　　變頻的主要功能是產(chǎn)生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅(qū)動(dòng)必須體現(xiàn)卓越機(jī)電性能(包括高效率)的電機(jī)。12 V 的總線可能需要六個(gè) 40 V 額定 MOSFET(典型裸片 Rds(on)為 1.15 mW) )，才能實(shí)現(xiàn)高電流和高效率運(yùn)行?；蛘?，線路電壓總線和高電流應(yīng)用可能需要并聯(lián)的多個(gè)分立 IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)特性來篩選 IGBT 成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實(shí)現(xiàn)均流控制。若沒有匹配的 IGBT，當(dāng)在高電流應(yīng)用中每個(gè)開關(guān)并聯(lián)多個(gè)部件時(shí)，可能出現(xiàn)不想要的熱應(yīng)力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔(dān)匹配 IGBT 的責(zé)任，讓最終用戶無需擔(dān)憂。模塊中集成了從電池到地的 RC 緩沖電路，緊密耦合到 MOSFET 橋以改進(jìn) EMI 性能。 還包括用于電流感測(cè)的精密電流檢測(cè)電阻，可提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和過流保護(hù)。 另外，還有一個(gè)溫度感測(cè) NTC，用于監(jiān)控變頻器的發(fā)熱情況。

　　圖4 FTCO3V455A1 3 相變頻汽車功率模塊 (APM)

　　模塊通常直接安裝至電機(jī)外殼表面，允許控制 PCB 僅沿模塊一側(cè)連接至信號(hào)引腳(圖 4)。 分隔到模塊對(duì)面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便 PCB 上無需存在高電流引線，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 傳熱式直接敷銅 (DBC) 結(jié)構(gòu)在安裝表面和電氣有源組件之間提供 2500 Vrms電氣隔離。

　　由于電源連接位于模塊一側(cè)并且與控制 PCB 隔離，設(shè)計(jì)具有非常低電感的電源連接就成為可能，從而為 MOSFET 的直流連接濾波和 BVDSS 的設(shè)計(jì)留出額外裕量。 類似地，由于模塊內(nèi)包含所有高電流傳導(dǎo)路徑，從 VBAT+ 到 GND 產(chǎn)生的極低總電阻有助于提高系統(tǒng)效率，允許提高總線電壓利用率，并最大化電機(jī)端子可用的電壓。 這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)就享有成本優(yōu)勢(shì)。

　　模塊內(nèi)部的 MOSFET 裸片可能位于緊密集成的 RC 濾波器元件附近，以便進(jìn)行高效的 EMI 抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實(shí)現(xiàn)開關(guān)過渡。

　　-設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的機(jī)械挑戰(zhàn)

　　在采用分立包裝元件開發(fā)的變頻器中，比如 TO-247、TO-263 (D2PAK) 或 MO-299 封裝，存在必須由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理的更多機(jī)械接口。 包括 MOSFET 封裝至 PCB、PCB 至隔離散熱器、散熱器至散熱片，還可能由散熱片至下一級(jí)組件。 這些機(jī)械接口與系統(tǒng)的熱性能有密切聯(lián)系。在模塊解決方案中，大多數(shù)接口都包含到功率模塊結(jié)構(gòu)中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理。 遵照 Fairchild 對(duì)表面平滑度和安裝螺釘扭矩(或夾合力)的建議，可在變頻器生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)卓越的熱性能和振動(dòng)性能。圖 5 顯示眾多通過安裝模塊滿足熱性能和振動(dòng)性能例子中的一個(gè)。正確的安裝方法還能夠擴(kuò)展產(chǎn)品的功率容量[6]。

　　圖 5 眾多擴(kuò)展模塊功率范圍的模塊-散熱器-PCB 方法中的一個(gè)

　　-設(shè)計(jì)分立模塊時(shí)影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

　　與安裝在 PCB 或 IMS 上的六個(gè)或更多分立式 MOSFET 封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡(jiǎn)化機(jī)械接口設(shè)計(jì)可獲得極好的熱性能。 為了舉例說明，圖 6 顯示 Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個(gè) MOSFET 的結(jié)至殼以及典型結(jié)至散熱片瞬態(tài)熱阻[7]。 結(jié)至散熱片的熱阻假設(shè)為采用 30 微米膠層厚度，系數(shù)為 2.1 W/(m-K) 的導(dǎo)熱材料。

　　圖 6 FTCO3V455A1 APM 瞬態(tài)熱阻

　　采用這種從散熱片到硅的簡(jiǎn)單堆疊，出色的熱性能使得整個(gè)變頻器可采用極高功率密度的封裝。 APM 的尺寸修剪為 29 mm x 44 mm x 5 mm，可構(gòu)成約 400 mL 總?cè)萘康臉O緊湊變頻組件，包括繼電器、直流連接濾波器元件、控制 PCB、散熱片和連接器。 工作條件下的功率循環(huán)和紋波溫度分析最終明確了使用電源時(shí)所需的封裝和焊線應(yīng)力[8]。

　　總結(jié)

　　將幾十年的線路驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)替代為變頻驅(qū)動(dòng)的高效電機(jī)是一個(gè)節(jié)能的、對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的趨勢(shì)，由功率半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代機(jī)器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應(yīng)需要和挑戰(zhàn)，滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。汽車和商用/工業(yè)電機(jī)行業(yè)都在尋求替代能源并創(chuàng)建更高效系統(tǒng)，從而減少傳統(tǒng)能耗并降低 CO2排放率。

　　引用文獻(xiàn)、注釋和參考文件

　　[1] OICA 代表“Organisation Internationale des Constructeurs d'Automobiles(世界汽車工業(yè)國(guó)際協(xié)會(huì))”或“International Organization of Motor Vehicle Manufacturers(世界汽車工業(yè)國(guó)際協(xié)會(huì))”

　　[2] 來源： IEA 世界能源展望。根據(jù)能源部 (DOE)，包括電機(jī)如泵、傳送機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、混合器、研磨機(jī)和其他材料處理和加工設(shè)備在內(nèi)的美國(guó)制造行業(yè)消耗總電力的大約 54%。

　　[3] 替代燃料包括氫、生物燃料、乙醇、電氣和天然氣。

　　[4] 來自風(fēng)力、太陽能、地?zé)崮艿鹊奶娲茉?..

　　[5] 影響電機(jī)效率的工作條件： 電源電壓、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和溫度

　　[6] 擴(kuò)展功率模塊的功率范圍： http://blog.fairchildsemi.com/2014/attach-heatsink-spm-5-package/#.VGBak_nF-So

　　[7] 了解更多有關(guān)應(yīng)用FTCO3V455A1 3 相逆變器汽車電源模塊 (APM) 的信息 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4160.pdf

　　[8] 不同電機(jī)控制應(yīng)用需要不同智能電源模塊 (SPM®) 解決方案。提供您的技術(shù)規(guī)格并嘗試不同的 SPM® 部件編號(hào)，即刻查看損耗結(jié)果。接受正弦 PWM、空間矢量 PWM 和四種非連續(xù) PWM 方法。https://www.fairchildsemi.com/design/design-tools/motion-control-design-tool/