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无刷电机IPM模块将被逆变器驱动IC取而代之?

2018-11-19 12:02:09 来源:大比特商务网 作者:张文灵 点击:494

【大比特导读】PI这款新产品想解决IPM模块所存在的问题,从而节省能源和空间,精简BOM,同时帮助应用厂商轻松符合安全标准,并且简化电路和缩短开发时间。

无刷电机(BLDC)能效更高、动态性能更出色和运行噪声更低,已成为电机驱动设计的必然趋势,但与此同时,高压电机IPM模块存在散热等许多问题,需要采用新的逆变器驱动IC进行替代。

无刷电机——巨大增量市场

由于世界各国不断关注节能问题,使节能型消费类产品的需求持续上升,尤其是电冰箱、洗衣机和空调等白家电产品。除了节能,白家电设计的挑战包括尺寸、散热、可靠性、噪声及外观设计等。

而这些都与电机技术息息相关,Power Integrations(PI)公司资深技术培训经理阎金光表示,电机几乎消耗了全球50%的能源,另一方面由于有刷电机存在EMI较差、效率低、寿命短,并且不适用于高转速应用的特点,因此无刷电机将逐渐替代有刷电机,在白家电设计中应用越来越广泛。

PI公司资深技术培训经理阎金光

据了解,目前市场上许多新型的节能洗衣机就采用了BLDC变频电机,效率高达80%,比普通电机提升40%,在节能方面秒杀普通电机,同时降噪效果非常明显,BLDC变频电机可以把噪音降低15%。

数据显示,2017年全球BLDC市场为301亿美元,较2016年成长12.8%。据统计,高档电冰箱中可能会使用5个或以上电机,空调的室外机及室内机各使用2个,洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也会使用2个电机。
2017年全球BLDC市场

在接受《半导体器件应用》记者采访时,阎金光认为无刷电机是非常巨大的增量市场,预计未来70-80%的应用都将采用无刷电机。

他引用数据表示:“2018-2023年,空调无刷电机的年复合增长率降到8%,将是应用最多的市场。而‘制湿型’家电、‘制冷型’家电、电风扇和工业用泵的年复合增长率将分别达到11%、17%、20%和15%。”

全球BLDC市场

为何要替代IPM模块?

为了高效地驱动工业、家用电器的电机,业界开发了变频器技术。电机系统需要用到IGBT、快速恢复二极管(FRD)等功率器件,以及控制IC和无源元件。而智能功率模块(IPM)将这些开关元器件高密度贴装封装在一起,运行可靠性高、功能强大,并具有自诊断和保护功能,因此被广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源。
电机驱动系统

然而,近日PI公司却发布了BridgeSwitch™集成半桥电路(IHB)的电机驱动器IC产品系列,希望解决IPM模块所存在问题。

据阎金光介绍,PI这款新产品想解决IPM模块所存在的问题,从而节省能源和空间,精简BOM,同时帮助应用厂商轻松符合安全标准,并且简化电路和缩短开发时间。

首先,IPM模块存在效率问题,而这又会导致发热问题。

据其介绍,IPM模块通常采用MOSFET或者IGBT。如果使用IGBT作为开关,则同时需要内部附加二极管,由于附加二极管的特性及IGBT关断时的拖尾电流问题,往往会产生较大的关断损耗,从而会影响工作效率,这会导致IPM模块产生局部集中发热现象,从下图可知,其最高温度将达到118摄氏度,远超PCB板承受范围,因此IPM模块通常需要附加散热片进行散热。
IPM模块

因此,电机逆变器效率的提升成为亟待解决的问题。阎金光认为,即使很小的逆变器效率改善也对节能及电机寿命有显著的影响。

他向《半导体器件应用》记者介绍了PIN=260W的应用案例。当电机逆变器效率为97%时,功耗为7.8W,但是当效率提升1%达到98%时,功耗可降低为5.2W,从而节省了2.6W功的功耗。而在一个小体积封装当中,此功耗的节省可以大大降低器件的温升。

PI是如何提升逆变器效率呢?据介绍,BridgeSwitch IC内部集成了两个性能加强的FREDFET(具有快恢复外延型二极管的场效应晶体管)分别用于半桥电路的上管和下管,且具有无损耗的电流检测功能,可使300 W以内的无刷直流(BLDC)电机驱动器应用中的逆变器转换效率达到98.5%。

据阎金光介绍,BridgeSwitch采用的FREDFET可使得开关效率最大化。因为电机绕组在去磁过程期间其电流需要流经体二极管,而体二极管的每一次关断都会产生损耗,FREDFET的体二极管具有极低的QRR和软恢复特性,从而实现开关损耗降低,EMI更低。另外,主开关管在关断期间的电压上升斜率也进行了精确的控制 (<3V/ns),这样既可以保证高效又可以兼顾到EMI性能。

他表示,实际上BridgeSwitch能够提供一点五个百分点的效率提升,其带来的好处更多。
IHB架构

一方面,它能使得因损耗而引起的发热降低,从而使器件封装温度从118℃下降至88℃。再者,PI的IHB架构将同样损耗产生的热量均分到不同的器件上分别进行散热,可以减少系统中集中发热的现象,仅仅利用PCB即可进行散热,进而降低了系统散热成本,大幅增强驱动逆变器的可靠性,克服了传统IPM模块应用中外加散热片所带来的机械应力较差的缺点。

而无需散热器的设计,还可以带来另一个好处——可以节省跌落测试环节的认证费用和时间,加快产品开发速度,同时简化产品生产流程。

另一方面,随着欧美节能法规日趋严格,比如关于家用电器总能耗(TEC)的限制,效率更高的电机逆变器可以帮助客户更加易于满足TEC法规要求。因此,采用BridgeSwitch™集成半桥电路可以帮助用户以更低的成本、更短的时间满足世界范围内节能方面的要求。

还有,节能法规趋严会导致家电产品在添加物联网等功能时,就像带着镣铐跳舞,而采用BridgeSwitch™由于其1.5%的效率提升,所节省的功耗不仅可以满足高效节能标准,还可以用来给现有产品增加新的功能,使得产品在总能耗不增加的情况下具备更多的功能,产品具有更多的卖点。

据阎金光介绍,传统的IPM方案中其保护是利用软件来实现的,以满足各种安规标准对电机应用安全方面的要求。因此软件需要满足Class B认证要求,认证费用昂贵且费时,而且后期任何软件更新均需重新认证,对于采用OTA技术的软件在更新后还需要重新进行额外的软件完整性校验,这样同样会降低软件升级效率。

而PI公司的IHB结构内建了以硬件方式实现的过流保护、过温保护及其它故障保护。而且其内部上管和下管均具备独立的逐周期的过流保护,即使在电机工作异常时仍能可靠动作,这样可以大大简化软件,提高软件代码执行效率,从而降低研发时间。阎金光还强调,由于采用了硬件保护机制,软件需要执行的故障保护功能大幅减少,因而在某些无刷电机驱动应用中可以选择相对成本更低的MCU进行控制。

最后,IPM模块不够智能化。

由于IPM的使用过程中会产生各种故障,然而IPM方案通常引脚数目有限,无法通过功能测试的方法快速定位失效位置。

而BridgeSwitch™具有内置的器件层级保护和系统层级监测特性,同时具备一个可靠的单线接口用以进行工作状态的更新,在电机微处理器和多达三个BridgeSwitch器件之间进行通信。而且这种通讯是双向的。即MCU可以将复位或状态更新指令发送给各个BridgeSwitch器件, BridgeSwitch器件业可以将其状态及故障情况报告给MCU。再者,每个BridgeSwitch器件的上管和下管限流点都可以单独进行设定,这样无需微处理器及相关外围电路的干预,在电机绕组开路或短路情况下BridgeSwitch器件本身即可提供整个系统的保护。而集成的无损耗电流监测特性可提供基于硬件的电机过流故障保护,有助于简化电机故障保护机制,从而满足IEC60335-1和IEC60730-1要求。

BridgeSwitch™

与此同时,BridgeSwitch™还具备自供电特点,其内部驱动电路可以选择从高压母线进行自动供电,节能了辅助电源中的供给栅极的驱动功率。另外,该器件可兼容所有常见的控制算法,包括磁场定向控制(FOC)、正弦控制以及提供有传感器和无传感器检测的梯形控制算法。

BridgeSwitch™

总而言之,PI公司希望借BridgeSwitch器件解决IPM模块的存在问题,为冰箱压缩机、暖通空调系统风扇以及其他家用和轻型商用泵、风扇和风机提供新的可靠性更高的设计解决方案。

本文出自大比特资讯(www.big-bit.com),转载请注明来源

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