一種更快、更有效地將無刷直流電機設計推向市場的方式

　　作者：Cristian Ionescu-Catrina，Power Integrations高級產品營銷經理

　　電機是目前世界上最大的電力消耗者，并且占比非常大。荷蘭能源研究中心（ECN）估計，全球發電量的45%是由電機消耗的。因此，為了推動效率的提高，各國正通過立法手段來提高電機的效率標準。2021年7月，歐盟開始實施“電機和變速驅動裝置條例（EU） 2019/1781”，對之前被排除在標準之外的一些電機增加了最低效率限值，并縮短了為其他類型電機符合效率要求所預留的時間。此類法規顯示的趨勢很明顯 – 所允許的最低效率將隨著時間的推移不斷提高。新的電機設計應盡可能的高效，以避免在其工作壽命結束前就被立法強制替換的風險。

　　這些法律涵蓋了各種各樣的電機，從基礎設施泵中的大型電機到為PC風扇供電的微型電機。尺寸不是唯一的考慮因素 - 電機的類型也很重要。以前，有刷直流電機被廣泛使用，但它們的效率相對較低，可靠性有限 – 電刷會隨著時間的推移而磨損，需要更換。在各種運轉速度和負載下對更高的效率和更大的可靠性的需求，導致無刷直流（BLDC）電機在新設計中被廣泛采用。

　　無刷直流電機不需要電刷和換向器之間的物理接觸。這一步消除了摩擦引起的機械損耗，使無刷直流電機更適合長期使用。由于轉子不需要供電，因此無需電刷和滑環，換向器組件也簡化了結構。這也使得無刷直流電機在更小的封裝內，每瓦特輸出的扭矩比有刷直流電機更大。

　　無刷直流電機使用永磁體作為轉子，它與定子線圈產生的電磁場相互作用。這些線圈以精確的模式導通和關斷，以確保轉子有效轉動。這種模式由微控制器（MCU）算法決定，并使用嵌入電機的傳感器提供實時反饋以實現精確控制。微控制器向開關發送信號，控制通過線圈的電流。盡管微控制器控制給電機驅動器增加了一些復雜性，但它提供了更大程度的靈活性和精確性。

　　由于有關電機效率的法規標準針對的是整個電機組件的運行情況，因此必須使每個階段的運行達到最佳狀態，以盡量減少整體損耗。這包括用于為電機供電的逆變器。逆變器的性能受到熱量的限制。除了縮短逆變器的使用壽命外，當驅動器過熱時，不良的熱性能會阻止逆變器向電機驅動器提供足夠的電流。解決散熱問題的典型方法是使用散熱片，或在某些情況下使用輔助風扇，但這兩種解決方案都不太理想。兩者都會加大電機尺寸和重量，這不利于實現電機小型化，并且會增加BOM物料數、增加設計復雜性并降低設計的機械強度。

　　Power Integrations （PI） – 在開發用于離線功率變換和柵極驅動的高度集成的高壓 IC方面擁有豐富的經驗 - 能夠從兩個不同的方向解決這個問題。第一個方法是提供一種有效的架構，最大限度地減少需要耗散的熱量。第二個方法是采用單獨的IC分別驅動各個相的電機繞組，以提供一個可擴展的解決方案，其靈活性足以支持單相和多相電機。每個驅動器的損耗所產生的少量熱量均勻分布于整個PCB上，而不是集中在某個集中發熱點。

　　這就是我們的BridgeSwitch?系列集成半橋（IHB）電機驅動器，適用于驅動同步電機（無刷直流或永磁同步電機（PMSM））以及異步電機（例如交流感應電機）。BridgeSwitch器件的效率可高達98.5%，適用于功率范圍為30W（典型IRMS = 0.2A）至400W（典型IRMS = 1.1A）的逆變器設計。BridgeSwitch IC集成了下管和上管驅動器、控制器、電平變換器和兩個N通道600V快速恢復外延型二極管FET （FREDFET），并可提供無損耗的電流檢測功能。FREDFET具有極快恢復的體二極管，使其成為驅動電感負載的理想選擇。它們可顯著降低開關損耗，并具有軟恢復特性以減少EMI。

　　BridgeSwitch IC可自行供電，允許使用更簡單的系統供電電源（例如PI的LinkSwitch?-TN2）來驅動微控制器。可以使用小型非隔離驅動器，而不是傳統設計中的多路輸出隔離反激式方案，從而進一步縮減BOM、降低設計復雜性并減小電路板空間。內部還集成逆變器診斷功能，可減少所需的傳感器數量和微處理器故障處理資源占比。BridgeSwitch IC集成了許多基于硬件的故障保護和外部系統級監測功能。這種硬件方案不僅能提供比軟件保護更快的響應，而且由于該架構具有硬件方式實現的逐周期下管和上管過流保護以及板載監測功能，因此更容易通過UL/IEC 60730認證。通過硬件方式實現這些功能，意味著滿足UL/IEC 60730的軟件要求從B級降低到A級，無需在軟件更新后重新認證。　　為了讓設計更快地推向市場，PI還為BridgeSwitch產品系列開發了多款無刷直流電機參考設計套件（RDK）。新的參考設計可提供高達400W的輸出功率且無需散熱片，能夠支持具有更大RMS電流要求和高散熱要求的應用，如壓縮機、吸油煙機以及家用和商用風機和泵。