媒體報道 | 99%效率，還能簡化電機驅動逆變器設計，PI是怎樣做到的？
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他表示，三相電機要用3個半橋驅動電路來驅動，BridgeSwitch是一個集成了半橋電路的芯片，而常見的IPM（智能功率模塊）是把6個開關集成在一個模塊中，溫升效果不盡如人意。BridgeSwtich-2在第一代產品基礎上進行了一些改進，更適合無刷直流電機應用。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202407/461232.htm01
無刷直流電機持續(xù)增長，用戶要求水漲船高
無刷直流電機市場持續(xù)增長主要來自工業(yè)類電機應用節(jié)能指令的新要求，例如，歐盟計劃到2035年節(jié)省2000億美元的能耗，因為大約50%到60%的電能都是由電機損耗掉的，所以必須提高電機的效率，而電機能量變換效率直接與逆變器效率相關。
又如，家電標識方面，要求洗碗機必須增加30%的效率；歐盟ErP要求自2025年開始待機能耗要小于300mW；印度則致力于吊扇50%的節(jié)能目標。
從用戶角度看，他們期望有更好的產品使用體驗，家電工作起來更加安靜，暖通空調應用能夠對氣流進行精確控制；家電設備的宕機時間更少。
而以上這些都對無刷直流電機市場的增長提供了持續(xù)的驅動力。
閻金光認為，電機行業(yè)有三類企業(yè)，一是專門做電機的電機生產商，二是做逆變驅動加上電機的系統(tǒng)集成商，第三類企業(yè)是美的、格力等這類終端客戶。
電機企業(yè)只是把電機成本做好，系統(tǒng)集成商則把電機的效果做到最佳，而終端客戶中越來越多的大企業(yè)希望降成本，同時做到與其競品相比具有更多的差異化，以增加其產品賣點。舉例說來，如果能夠把待機功耗做好，就可以滿足ErP的300mW功耗要求，縮短宕機時間，優(yōu)化散熱設計，實現(xiàn)精確的電機控制，并具有更高的效率等等。而BridgeSwitch-2的推出可以滿足以上不同客戶對成本和性能的目標要求，以最大發(fā)揮無刷直流電機在具體應用中的技術優(yōu)勢。
他說，BridgeSwitch?-2 IC適合1馬力（750W）的單相或三相電機的驅動。功率更大意味著適用的范圍更寬。
02
簡化散熱設計
據介紹，新產品有兩種封裝的形式，由于加大了功率，很多家用電器設備，包括工業(yè)類應用都可以使用這些特有的高效散熱的封裝，實現(xiàn)無散熱片的設計。
新的功率封裝以及低熱阻的特點優(yōu)化了器件的溫升性能，簡化了散熱設計。兩個不同封裝的最大區(qū)別是輸出功率，分別是緊湊型設計的InSOP-24C封裝和高功率電機應用的InSOP-L38封裝。這些封裝延續(xù)了之前PI所有的功率器件優(yōu)勢——底部具有裸露的焊盤，經由回流焊裝配工藝后，熱量可通過焊盤傳導到PCB商，同時低矮的封裝也易于實現(xiàn)超薄設計，進而實現(xiàn)驅動器和電機一體化的高功率密度設計。
采用兩個管的集成半橋的架構（IHB）使得只使用3個IC即可驅動一個三相電機，三個封裝可以均勻分布熱量，消除了傳統(tǒng)IPM模塊方案中常見的集中發(fā)熱點，使器件整體溫度降低30℃以上。而且，不用像IPM模塊那樣使用6個開關，由于發(fā)熱集中需要使用成本昂貴且占用空間的散熱片；使用3個InSOP-28C封裝的BRD2161C實現(xiàn)的三相BLDC電機圓形驅動板可以和電機集成在一起，利用PCB板進行散熱，大大節(jié)省了空間。同時元件數目非常少，發(fā)揮了PI高度集成的優(yōu)勢，提升了可靠性，可達到超過99%的變換效率。
閻金光解釋說，電機控制需要非常精確，不同應用的控制算法也不一樣。在效率方面，如果效率功率是400W，提升1%就是4W；如果是750W的話就相當于減少了7.5W的損耗。在功率較大的情況下，哪怕是0.01個百分點的效率提升都非常關鍵，因為這樣可以使器件有更好的溫升表現(xiàn)。
為此， PI官網給出的PI Expert?軟件可優(yōu)化逆變器的性能并即時計算器件的溫升數值，方便工程師做出更好的散熱設計。 通過逆變器輸出功率和效率、熱阻、PCB面積可以估算出溫升會達到多少度，進而估算出PCB的散熱面積，達到最佳散熱效果。這樣可以在設計前期就對PCB板的布局起到指導的作用。
電機是一個很復雜的系統(tǒng)，涉及硬件和軟件，只有兩者很好地搭配，才能調教出一個非常高效、安靜的電機。而PI除了推出逆變器用到的IC硬件以外，還同時提供 調試電機的軟件MotorXpert，它使得工程師不必了解繁瑣的編程代碼，直接通過圖形用戶界面即可對電機運行參數及特性進行調整，從而大大縮短產品的研發(fā)周期，加快產品上市時間。
BridgeSwitch?-2及MotorXpert提供了一個一站式整體逆變器解決方案。利用MotorXpert套件對電機進行調試，根據電機不同的參數，比如不同結構電機中轉子的慣性等等，進行精確的算法調整。這種閉環(huán)調整涉及電機的啟動和不同轉速下的效率，都會對變換效率、逆變器溫升和電機的噪音有顯著的影響。
使用該軟件套件的好處在于，方便優(yōu)化散熱設計，可以極少的整體元件數目實現(xiàn)極高的效率的設計，并可以精確控制電機運行；縮短產品上市時間，而新器件也更加易于滿足歐盟ErP待機標準，縮短家電設備的宕機時間。
03
內置相電流檢測功能優(yōu)化系統(tǒng)性能
閻金光提到，PI一直延續(xù)了獨創(chuàng)的無感電流檢測方式，利用集成的相電流檢測（IPH）直接提供相電流信息，在IC內部檢測相電流信號，不需要加外部的電流檢測電阻，簡化了電流反饋電路。這種檢測方式不會受外部噪聲的干擾，避免影響電機的控制策略，進而影響電機效率，同時省去了電阻和相應的運算放大器電路，進而降低了損耗，減少了整體方案的元件數目。
基于IPH的電流信息檢測，提供給MCU后利用軟件即可實現(xiàn)無感的電機轉子位置信息，再結合BridgeSwitch三相逆變器硬件，即可省去90%的電流反饋電路，并將逆變器的損耗減少10%以上。
此外，相比使用外部電流檢測電阻的方案，IPH電流檢測波形更加“干凈”。在相同的無感FOC控制條件下，使用IPH的BridgeSwitch?-2合成的電流不會像傳統(tǒng)分立方案那樣出現(xiàn)電流信息失真，這樣可以減少噪音對電機控制算法的影響，進而減小了電機噪音，提高了電機效率。
利用相電流信息還可以更加精確地預測電機的維護狀態(tài)，且兼具減少宕機時間的成本效益。電機長時間運行后，振動會導致電機磨損，影響磁場分布。通過相電流波形就可以知道電機磨損的百分比，判斷什么時候需要更換電機。從而提前對即將發(fā)生的故障進行“鎖定”，對設備進行預知的維護意味著可以縮短設備使用期間的宕機時間。
BridgeSwitch-2的IPH內部檢測方式對故障預判的準確度為92.5%，而傳統(tǒng)的基于分流器的檢測方式因為噪聲的影響準確度僅為55%，無法真實判斷電機磨損情況。之前業(yè)界還沒有一種方式可以準確預測電機的好壞。
04
進入“睡眠”模式降低待機功耗
閻金光說，進入睡眠模式可以有效降低待機功耗，使用BridgeSwitch?-2的逆變器在使用外部供電情況下效率高達99%。BridgeSwitch-2適用的是高壓的無刷直流電機，其母線電壓為320V。對于功率變換來講，母線電壓越高損耗越低，但需要逆變器中功率器件具有更高的耐壓。
BridgeSwitch?-2內部集成的高壓FREDFET適用于這樣的應用。逆變器操作除了開關還有驅動電路，需要有外部供電。第二代產品降低了供電電壓，兼容現(xiàn)有的IPM模塊方案的15V供電電壓，同時可以實現(xiàn)更低的導通損耗。除了15V供電外，通常輔助供電電源還需要給MCU供電的3.3V電壓。
在待機狀態(tài)下，微控制器發(fā)出指令至輔助電源，將15V輸出降至6V，這樣就進一步降低了輔助供電電源的損耗。在種情況下，BridgeSwitch?-2即可進入睡眠模式，3個半橋IC的總功耗可以低至10mW以下。節(jié)省下來的功耗可以把產品的待機特性做的更好，實現(xiàn)更多待機工況下的功能，比如利用無線通訊模塊實現(xiàn)設備的遠程控制。
這種利用睡眠指令重新設置功率架構的方式可以非常容易滿足ErP低待機功耗標準的要求。
05
MotorXpert? 簡化并方便優(yōu)化設計
據了解，在軟件調試方面，通過在MotorXpert軟件中的一些設置可以更方便客戶完成整體系統(tǒng)的設計，加快設計周期。終端客戶可以根據電機特性做一些差異化的軟件調整設定。利用軟件GUI和接口板調整電機，直接輸入一些數字就會看到對應的一些性能變化，針對不同的電機進行性能優(yōu)化，如靜音效果、轉速、效率等等。
MotorXpert采用圖形用戶界面（GUI）來優(yōu)化電機啟動及性能，通過內置示波器可以看到各種波形。很多參數可以在電機旋轉期間即時地設定，不需要在MCU上寫程序代碼，易于使用。一旦電機選好，將軟件調好后就可以固化軟件，生成一個配置文件供批量生產使用。
除了支持三相電機外，BridgeSwitch?-2還可以只用兩個半橋IC支持低成本的單相電機應用，后者相對于三相電機只是噪音高一些，但成本更低，因而各有各的優(yōu)勢。單相電機的算法設計難度在于預估上電期間轉子的位置，實現(xiàn)無感的轉子定位是一項挑戰(zhàn)，而利用BridgeSwitch-2的IPH電流檢測，再加上特殊的算法，即可實現(xiàn)無感的單相電機逆變器應用。
06
總結
閻金光最后表示，作為電機驅動的完美解決方案，BridgeSwitch一直以來都在滿足新興市場應用的要求。BridgeSwitch?-2和MotorXpert簡化了電機設計、增加了效率、降低了空載功耗，完美適用于高達1馬力功率的電機應用，包括冰箱壓縮機、暖通空調、洗碗機、油煙機熱泵、循環(huán)泵、吊扇、滾筒洗衣機、研磨機、攪拌機等。
使用MotorXpert的整體解決方案簡化了設計，可驅動單相及三相電機；硬件連接的保護特點簡化了對軟件的依賴，加快了產品入市時間；IPH不占用MCU資源，可以在不需要MCU介入的情況下保護逆變器和系統(tǒng)，實現(xiàn)更加簡單、更加精確的電流信息檢測。
他透露，目前PI已提供量產訂單及樣品，InSOP-28C封裝器件將于2024年第二季度末上市。
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