電機控制在工業應用中發揮著越來越重要的戰略作用。然而，能源消耗正成為一個主要問題，開發商和零部件制造商正在加緊努力優化工業電動機?的功率效率、成本和性能。

在 PowerUP Expo 的電機控制趨勢和觀點小組會議上，五位行業專家分享了他們的觀點，概述了戰略和方法的異同。?

以寬帶隙推動新機遇

作為硅基器件的替代品，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體材料在電機控制應用中越來越受歡迎。主要優點包括更高的能效、更高的開關頻率、更高的可靠性、更低的功率損耗、更小的尺寸和更輕的重量。?

碳化硅?

在任何解決方案中，主動冷卻以管理半導體損耗是性能和可靠性的關鍵驅動因素，最大限度地減少損耗可能會改變游戲規則。英飛凌科技公司 SiC 高級總監 Peter Friedrichs 表示：“有了寬帶隙，您只需提高可靠性、消除散熱器和制作非常緊湊的設計，就可以完全消除損耗。” “這些是我預見到的一些中斷，我認為未來在實際設計中也會越來越多地出現。”?

Friedrichs 以 Infinitum Electric 推出的全新一體化物聯網電機控制解決方案為例。“他們完全消除了電機中的重金屬部件，并用 PCB 代替它們。最后，它是一個非常緊湊和輕便的解決方案，具有非常低的電感和高開關速度，但對 dV/dt 沒有限制。” 在這里，SiC 是一種使能元素。?

Friedrichs 提出了與實際實施 SiC MOSFET 相關的三個熱門話題和挑戰。第一個是一般的 SiC MOSFET 或 WBG 開關的短路性能。隨之而來的問題是：它真的是驅動器應用的一個障礙點，“因為我們必須接受 SiC MOSFET 的短路性能……遠遠低于當今 IGBT 的性能”？那么有必要在設備層面解決嗎？?

第二個主題是過濾后的輸出。“今天，您已經可以將輸出濾波器添加到基于硅的逆變器中，然后為電機獲得許多潛在優勢，因為不再有 dV/dt 限制，也不需要短路，”Friedrichs 說。盡管如此，“硅世界中的濾波器非常龐大且昂貴，而 SiC 或 WBG 可能非常小。它可能會迎來復興。”?

現在WBG功率器件已經面市，電機技術前沿會不會有更多的創新，在驅動逆變器中培育出SiC或GaN？弗里德里希斯給出了肯定的回答，他說他正在尋找用于緊湊型解決方案的高速電機、多極電機和磁阻電機技術的方向。?

氮化鎵?

許多人錯誤地認為在無刷直流電機驅動中使用 GaN 器件沒有任何好處。EPC 電機驅動系統和應用總監 Marco Palma 表示：“這不是真的，因為它具有突破性優勢，例如更平滑的開關、提高 PWM 頻率和非常小的死區時間。”?

此外，GaNFET 和基于 GaN 的集成電路的開關速度更快，“如果你有更高的開關頻率，你可以省去電解電容器并降低電機損耗，”Palma 說。還實現了更高的扭矩/安培比。“這意味著您可以通過將逆變器集成到電機內部來提高逆變器和電機系統的效率，并減少系統尺寸和重量。”?

當被問及未來趨勢時，Palma 表示他不確定傳統的三相兩電平逆變器是否會成為中長期的解決方案。為了做好更充分的準備，EPC 越來越多地與大學和選定的客戶合作，并為更高電壓尋找合適的解決方案。“這可能有兩種不同類型的拓撲，比如多級，在其他一些情況下，多相電機不僅僅是三相[電機]。我們將在 2022 年看到越來越多的情況發生。”?

實時控制監控

實時控制使電動汽車 (EV) 充電站和太陽能解決方案等應用變得更加高效、可持續和經濟實惠。但什么是實時控制？運行實時控制應用程序需要什么？?

德州儀器 C2000 實時微控制器業務部總經理 Matt Watson 表示：“這是關于以盡可能最快的方式收集、處理和處理數據。” 主要組件是具有一系列選項的控制系統，從數字實時 MCU 到集成驅動器，再到模擬控制器和 DC/DC 控制器。還有其他貢獻者：傳感（例如，ADC、溫度、電流和位置傳感器、運算放大器、比較器和隔離）、驅動（例如，具有集成柵極驅動器的 GaN FET、無刷直流電機驅動器、DAC、模擬驅動器和柵極驅動器，隔離）和通信（例如，高速接口，隔離）。?

“實時控制并不是一個新話題，但考慮到圍繞 [提高] 能源效率和減少全球排放的強度，它正在顯著加速，”沃森說。?

實時控制的第一個好處是提高了性能和效率。“我們有幾個領域，電機的低延遲和高吞吐量可以實現更平滑的扭矩控制，”Watson 說。隨著控制器的更高處理為數學密集型函數留出更多時間，死區補償也得到了改善。?

另一個性能優勢來自重量和尺寸，因為“更輕的重量意味著更少的功率，”Watson 說。WBG 材料還有助于實現更小的電機和更高的效率。?

下一個好處是可持續性和可靠性。“實時改善了電機和控制器之間的配對，并且……您對故障的響應速度越快，您可以快速采取的行動就越多，”Watson 說。“您可以延長電機的使用壽命，不僅可以提高效率，還可以提高耐用性和使用壽命。” TI 表示，其 C2000 業務部門在改善電機生命周期和性能方面進行了大量投資。?

負擔能力的好處也很重要。“隨著開關頻率的提高，我們在整個子系統中發揮積極作用以減小尺寸，并且存在集成因素，將更多的系統 BoM 帶入不同的子系統，”Watson 說。?

Watson 表示，實時控制適用于所有應用，但伺服應用是一個重要領域，“其中精度、準確度和平穩運行是關鍵，并且非常重視實時”。在汽車領域，仍然需要圍繞效率（例如重量、續航里程）進行大量創新。“我們花費大量時間的領域是內部控制回路，即處理能力、整個信號鏈的精度和延遲。”?

Watson 總結道：“我們已經討論了很多關于使 GaN 和 SiC 具有高開關頻率、高 PWM 精度的問題。這需要傳感端的終端輸入具有相同水平的精度，以及越來越多的可配置性。這些是我們花費大量時間嘗試微調的領域，以確保我們可以喂飽野獸。”?

運行高效電機控制

據電力和自動化技術供應商ABB集團稱，目前運行中的許多工業電機驅動系統（約3億個）效率低下或消耗的能源遠遠超過必要水平，導致了巨大的能源浪費。如果用優化、高效的設備取代這些系統，收益可能會使全球電力消耗減少多達10%。反過來，這將占實現《巴黎協定》確立的2040年氣候目標所需溫室氣體減排量的40%以上。

克里斯托夫·鮑姆加特納（Christoph Baumgartner）說：“我們的主要關注點是大容量消費應用和汽車應用，在這些應用中，需要大量的實際技術來提高磁場定向控制或其他無傳感器技術的效率，并真正找到以最高效率和最低成本運行壓縮機電機的算法。”，微芯片技術的嵌入式解決方案工程師。“我們提供廣泛的硅解決方案和開發工具組合。”

這家總部位于亞利桑那州的公司專注于其8位、16位和32位微控制器的效率，并“嘗試將盡可能多的功能與A-D轉換器、運算放大器和PWM的正確外圍模塊集成，以具有更低的BoM和更高的可靠性，”鮑姆加特納說。

加快上市時間對任何組織都至關重要。為此，Microchip開發了一個完整的運動控制開發生態系統。其motorBench開發套件旨在幫助電機控制工程師識別電機參數、生成代碼、調整控制器參數，并實現快速原型。

Microchip還專注于算法，并于2021 6月推出了零速/最大轉矩（ZS/MT）控制算法，這是無傳感器磁場定向控制（FOC）算法的一種新變體，使無傳感器控制技術能夠在高轉矩或低速電機控制應用中采用。

當被問及感應式位置傳感器相對于現有霍爾效應和磁性傳感器的優勢時，鮑姆加特納說，它們“可以在非常惡劣的環境中工作得很好。”雖然感應式傳感器已經有相當一段時間了，“客戶有顧慮，所以我們必須在現實世界的例子中展示其性能。”該技術正在改進，微芯片聲稱在機器人手臂方面取得了良好的效果。“與寬帶隙等其他技術一樣，客戶需要被新技術所說服，”他總結道。

減少開關和傳導損耗

電力電子市場不斷尋求提高電源轉換器的效率并降低成本。實現這一目標的一種方法是可靠且經濟地降低開關和傳導損耗。位于加利福尼亞州圣何塞的 Pre-Switch 使用人工智能來連續調整開關系統內元件的相對時序，以迫使諧振抵消電流和電壓波形，從而最大限度地減少開關損耗。?

當晶體管導通或關斷時，到達下一個工作狀態所需的過渡時間很短，但它不是瞬時的，會引起能量損失（開關損耗）。開關損耗占功率轉換器損耗的很大一部分。?

2020 年，Pre-Switch 開始出貨其 200kW CleanWave 評估逆變器，并聲稱在每個開關位置使用三個分立的低成本 35mΩ SiC FET 晶體管在 100kHz 時的效率超過 99.3%。“我們預計效率將接近 99.5%，”Pre-Switch 的首席執行官兼創始人 Bruce Renouard 說。“我們已經解決了 dV/dt 問題，因為我們的電容電感器放置在開關上。”?

預開關控制器逐周期分析多個輸入，實時調整到小型強制諧振晶體管以實現最佳軟開關。Pre-Switch AI 算法可處理系統溫度、設備退化、輸入電壓變化和電流突變波動的變化。?

Renouard 還概述了他所謂的低失真正弦波輸出。“這是因為我們的開關頻率是大多數人的 10 倍，而開關損耗沒有下降。這提供了非常平滑的輸出的能力。在大多數情況下，您甚至不再需要輸出濾波器，因為您非常接近純正弦波。?

“我們還提供了減少同一開關所需的碳化硅數量的能力，因為現在，您的開關損耗已從等式中有效消除，”Renouard 補充道。“這意味著您的設備只需要處理傳導損耗。通過快速切換，您可以顯著減小直流電容器的尺寸。”?

Pre-Switch 預計將于 2021 年第一季度推出下一代 200 kW CleanWave2 逆變器參考平臺。?

Pre-Switch 技術擴大了電動汽車應用的范圍，包括電動汽車、電動飛機、電動船和其他船只。Renouard 表示，基本上，該公司專注于 50 kW 及以上的應用。“我們的功率越高越好。我們已經完成了高達兆瓦的設計。總體而言，我們專注于需要電池的應用，因為它們是目前真正需要提高效率的應用，而我們主要專注于電機和驅動電機。”?

Renouard 詳細介紹了參與計劃和商業模式，他說：“我們的目標不是成為最終客戶的逆變器供應商，而是提供我們的技術和許可或出售這些產品，以便他們加快上市時間。我們正在銷售硬件、許可軟件和芯片。”?

計算技術將繼續成為電機控制的驅動力，Renouard 表示，相信我們將看到更多非傳統架構，因為“擁有 50 年歷史的架構和晶體管不一定是讓自己脫穎而出的唯一途徑。” 他補充說：“我們預計電機驅動算法將繼續變得更好，但我認為這將與計算機控制方面的創新以及我們在控制實際開關技術中我們喜歡稱之為 AI 的創新相結合。”?

審核編輯 黃昊宇