馬達設計的技巧
布局約束因素
現(xiàn)今的可調(diào)速驅(qū)動電路都采用變頻器來調(diào)整輸出電流,以滿足三相馬達的要求。變頻器的形狀大小通常會受到應用的限制。在許多情況下,電路板與馬達靠得很近,而馬達構(gòu)造的高度也會受限。另外,所用高功率半導體器件的物理性質(zhì)和所選封裝的形狀,也要求電路板上有足夠的位置空間。功率半導體開關工作期間產(chǎn)生的電壓、電流交疊會造成損耗,必須將其消除。雖然功率耗散問題可以通過加設散熱片而得到改善,但這也會限制半導體器件在電路板上的布局安排。
變頻器是達到EcoDesign節(jié)能要求的關鍵技術(shù)。美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute)的研究表明,采用變頻器的馬達比無變頻器的馬達節(jié)能多達40%。無論是感應馬達、永磁同步馬達,還是無刷直流馬達,都可由變頻器為其產(chǎn)生正弦電流。為此,開關頻率必須比變頻器的可調(diào)輸出頻率高幾個數(shù)量級。而經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的輸出電壓則會施加在電感性負載上。因此,輸出電流與電壓的平均值成正比。開關頻率越高,對變頻器越有利;而驅(qū)動的扭矩波動越小,動態(tài)響應性能便更高,噪聲也會變得更低。這就要求開關速率快,而開關速率快意味著di/dt和dv/dt的變化率通常都很高。因此,電路寄生就成為一個大問題,設計人員必須努力解決這個問題,才能滿足目前和未來的EMC標準要求。
成本是電路布局必須考慮的另一個約束因素。許多情況下,都采用雙面電路板。而電路板上的不同區(qū)域常常只能使用一種焊接工藝。因此,就提高成本效益而言,表面貼裝半導體器件是越來越受歡迎的解決方案。
設計考慮因素
目前,大功率半導體器件(如IGBT和MOSFET)的發(fā)展趨勢是在提升性能的前提下不斷縮小芯片尺寸。減小芯片尺寸能減少器件的寄生電容,從而提高開關速率。因此,深入研究電路板上的關鍵回路越來越重要。圖1為電壓源變頻器(voltage source inverter,VSI)的兩種典型開關工作方式的簡化示意電路。在開關頻率受限的大電流應用中,IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(cè)(HS)續(xù)流二極管到低壓側(cè)IGBT的換流。電流最初是在高壓側(cè)二極管和相應反相半橋的IGBT形成的續(xù)流通道中。
圖1 簡化的換向電路
一旦低壓側(cè)柵極驅(qū)動電路導通了IGBT,就會有短路電流經(jīng)過高壓側(cè)二極管和低壓側(cè)IGBT。其結(jié)果是二極管電流降低,IGBT電流相應增加(自然換相:12),在開關期間,電感性負載的電流可視為常數(shù)。因此,雜散部件與該通道無關。開關速率由低壓側(cè)IGBT的導通和半橋的雜散電感來決定。要實現(xiàn)從低壓側(cè)IGBT到高壓側(cè)續(xù)流二極管的反向換流,低壓側(cè)IGBT上的壓降必須大于直流總線電壓,以導通續(xù)流二極管。因此,IGBT在與二極管換流(強制換相:21)之前必須能同時承受高電壓和大電流。
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