更高效電機驅(qū)動的基本挑戰(zhàn)和解決方案

　　摘要： 汽車與工業(yè)/消費電子電機行業(yè)之間具有類似的需求和挑戰(zhàn)。為了減少 CO2的排放率，這兩個行業(yè)都在尋求替代能源，創(chuàng)建能夠減少傳統(tǒng)能耗的更高效系統(tǒng)。變頻器驅(qū)動的電機應用了幾十年，經(jīng)過事實驗證的可靠電機設計需要半導體器件支持和更復雜控制的解決方案。滿足這些需要和挑戰(zhàn)就能夠滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需要。

　　圖 1. 汽車、工業(yè)和消費電子電機的環(huán)保和能耗趨勢概述

　　根據(jù) OICA[1]，人類活動導致的氣候變化可能是 21 世紀人類社會面臨的最大挑戰(zhàn)，而 CO2是一個主要副產(chǎn)物(圖 1)。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會各界和各行各業(yè)做些積極的事情來控制 CO2對氣候變化的影響。世界資源研究所關于全球資源 CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16% 來自機動車輛，44% 來自發(fā)電和加熱。40% 電力由工業(yè)和消費電子電機消耗[2]。隨著全球人口增加、需求越來越大，城鎮(zhèn)化帶來更多便利性，越來越多的車輛帶來更大移動性，對更多電力的需求意味著需要尋找能夠最大程度地減少 CO2排放量以便最大程度地降低社會成本的其他措施。CO2排放量肯定會增加，但可通過一些方法來減緩氣候變化。本文針對汽車和電機行業(yè)介紹能夠減緩 CO2增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

　　- 汽車： 車輛電氣化

　　減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少 CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費，研究替代燃料來源以及如何改進傳統(tǒng)的內(nèi)燃機。長期挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)周期的長時間(也就是 5-7 年)概念，支持新架構、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價格可行的的替代燃料來源[3]。使用新燃料并不重要，因為車輛設計需要滿足預定的質(zhì)量和性能標準。近期挑戰(zhàn)包括減少動力系統(tǒng)的重量和尺寸并實現(xiàn)車輛電氣化。車輛電氣化(圖 2)是將機械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動和混合動力驅(qū)動電機。實例包括選擇較小電機，輔以電動增壓器、電動助力轉(zhuǎn)向、電動水泵、電驅(qū)動空調(diào)和電氣推動系統(tǒng)。解決這些挑戰(zhàn)有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產(chǎn) CO2排放量更少的車輛。

　　圖 2. 電動助力轉(zhuǎn)向(車輛電氣化的一個實例)

　　- 工業(yè)和消費電子： 感應電機到變頻電機(ECM、無刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機有助于減少 CO2排放量。人們在不斷研究更節(jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長壽命設計(8-15 年無故障壽命)、重點關注可再生、替代能源的研發(fā)投資[4]、以及能夠最大程度地提高各種電機效率的復雜控制和變頻驅(qū)動。面臨的挑戰(zhàn)和機遇是尋找合適的應用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機 90% 的可靠感應電機，并使用更高效電機(包括風扇和泵)，來循環(huán)和冷卻空氣/水。風扇趨勢包括電子整流電機 (ECM) 或無刷直流 (BLDC) 電機，以及專業(yè)開關磁阻 (SR) 電機。對變頻電機不斷增長的需求可以節(jié)省電機消耗電力的約 30%，或者說節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機有助于降低 CO2排放的增長率。

　　- 最終影響趨勢的解決方案和平衡

　　電力系統(tǒng)設計人員必須克服很多挑戰(zhàn)才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機驅(qū)動。在汽車和工業(yè)/消費電子應用中，環(huán)境和應用條件都很嚴峻，并且總擁有成本必須經(jīng)過嚴格審查。例如，汽車機架式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能遇到超過 100?C 的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且會接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時要求提供 150 A 或更高的電機相電流，而損耗最小。家用電器和工業(yè)電機和泵都是針對放置于幾乎沒有強制氣流的外殼中的設計和電路。高效電機將不同的電機技術、復雜的控制、熱機械創(chuàng)造性設計、新封裝、和新硅技術融合到功率半導體中。若電源結構和工作條件[5]已定義好，則效率決定因素包括電機技術類型、不同脈寬調(diào)制 (PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

　　解決方案 #1： 恢復和改進的電機技術

　　雖然滿載效率評級較高，但是大部分電機均不是以滿載條件運轉(zhuǎn)。哪種電機技術最好? 看情況而定。大多數(shù)ACIM在 75% 至 90% 的額定負載下以最高效率運行。ACIM 的轉(zhuǎn)子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產(chǎn)生，而其磁芯損耗是由鐵轉(zhuǎn)子和定子中的渦電流和滯后效應導致的。對于通常以峰值幾分之一的負載使用電機的應用而言，通過優(yōu)化預期負載范圍內(nèi)的效率，每年節(jié)省下來的能量相當于節(jié)省電機/控制采購價格的 50%。 能源部 (DOE) 預計 44% 的工業(yè)電機(記得 90% 已安裝電機為感應電機)始終以低于其額定負載的 40% 運行。平均來說，交流感應電機 (ACIM) 僅提供 44% 的效率，而 BLDC 電機通常以 65% 至 90% 的效率運行。 作為電動汽車牽引電機，下面圖 3 比較了 ACIM 和 BLDC 的電機效率(實際上，此處為室內(nèi)永磁交流電機)。 由于 BLDC 電機的永磁轉(zhuǎn)子結構，BLDC 電機不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅損。BLDC 電機還具有更高效變速運行的優(yōu)勢，而在類似負載條件下傳統(tǒng) ACIM 僅提供 15-40% 的效率。新電機技術和驅(qū)動電機的更復雜控制能夠進一步最大化交流感應電機 (ACIM)、正弦電機(即永磁交流和永磁同步電機)和 ECM 或無刷直流 (BLDC) 電機的效率。

　　圖 3 電動汽車牽引電機效率比較

　　解決方案 #2： 通過 PWM 提高效率的方法

　　理想的電機功率波形可以顯著提高效率。有很多種 PWM 方法，每種都有利有弊(表 1)。連續(xù) PWM (CPWM) 比如正弦 PWM 和空間矢量 PWM (SVPWM) 是指電源電壓波形輸送到電機三相前的調(diào)制。非連續(xù) PWM (DPWM) 是指基于空間矢量 PWM的兩相調(diào)制，因為電機只有兩相進行 PWM，而第三相配合始終“導通”的高側或低側晶體管運行。DPWM 產(chǎn)生較低的開關損耗，但會產(chǎn)生施加到電機的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到 DPWM 變化和各種控制方法比如磁場定向控制 (FOC)、變頻驅(qū)動 (VFD) 和梯形控制。本文提到的 SVPWM 和 DPWM 方法可視為三次諧波注入技術。通常來說，開關損耗和電源電壓波形質(zhì)量比較表明較低調(diào)制下的 SVPWM 和高調(diào)制范圍內(nèi)的 DPWM 方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當?shù)墓β拾雽w器件和恰當?shù)?PWM 控制方法，從而產(chǎn)生恰當?shù)碾娫措妷翰ㄐ?，有助于高效推動一種電機技術[6]。

　　表 1： 按照利弊和應用要求選擇 PWM 類型

　　解決方案 #3： 功率半導體器件支持

　　功率電子設計中一個經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導體之間的選擇。有人可能會認為使用分立器件的歷史習慣、物理布局的靈活性以及各個功率半導體廠家提供的廣泛可用部件都是致使功率模塊與分立器件之間爭論不休的因素。此外，從既定分立功率半導體器件轉(zhuǎn)換到功率模塊需要額外的客戶研發(fā)工作。這個選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的 3 個關鍵因素和對應的產(chǎn)物：

　　• 電池/總線互聯(lián)、功率級，和電機

　　• 效率

　　• EMI/EMC

　　• 熱堆疊設計

　　• PCB 元件到散熱片熱阻

　　• 可靠性、成本和產(chǎn)量

　　• 空間限制

　　僅僅為了降低成本而替換有效的分立解決方案，從而追求模塊解決方案，通常不是一個好主意。若分立器件不能滿足五個要求中的一個或多個要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個要求是：

　　• 可靠性

　　• 結構緊湊

　　• 電氣性能

　　• 增值互聯(lián)

　　• 熱性能

　　在電氣、機械和熱領域的交互方面出現(xiàn)關鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應互聯(lián)，逆變器與電機之間的高電流接口，從逆變器到支架結構的穩(wěn)定機械互聯(lián)，以及逆變功率器件和冷卻劑之間的高效熱互聯(lián)。冷卻劑或散熱器通常僅僅是熱空氣或高溫金屬。合適的功率模塊有助于解決這些挑戰(zhàn)，同時還能實現(xiàn)各個因素與剛才強調(diào)的要求之間的平衡。

　　對于三相 ACIM 和 BLDC 變頻驅(qū)動，存在六個驅(qū)動三個電機相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因為當線路電壓、功率需求和工作溫度上升時，IGBT 具有卓越的傳導性能。線路電壓總線輸入和變頻驅(qū)動器通常需要功率因數(shù)校正 (PFC) 級，以便最大化來自電網(wǎng)的功率級。在較低電壓如 12 V 至 48 V 電池/總線電壓下，MOSFET 為首選并且是可行的，因為其傳導和開關性能通常超過 IGBT。從逆變器電路到電機的理想功率波形可以顯著提高效率。

　　-設計分立器件與模塊時遇到的電氣挑戰(zhàn)

　　變頻的主要功能是產(chǎn)生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅(qū)動必須體現(xiàn)卓越機電性能(包括高效率)的電機。12 V 的總線可能需要六個 40 V 額定 MOSFET(典型裸片 Rds(on)為 1.15 mW) )，才能實現(xiàn)高電流和高效率運行?；蛘?，線路電壓總線和高電流應用可能需要并聯(lián)的多個分立 IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)動特性來篩選 IGBT 成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實現(xiàn)均流控制。若沒有匹配的 IGBT，當在高電流應用中每個開關并聯(lián)多個部件時，可能出現(xiàn)不想要的熱應力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔匹配 IGBT 的責任，讓最終用戶無需擔憂。模塊中集成了從電池到地的 RC 緩沖電路，緊密耦合到 MOSFET 橋以改進 EMI 性能。 還包括用于電流感測的精密電流檢測電阻，可提供電流反饋，實現(xiàn)電機控制和過流保護。 另外，還有一個溫度感測 NTC，用于監(jiān)控變頻器的發(fā)熱情況。

　　圖4 FTCO3V455A1 3 相變頻汽車功率模塊 (APM)

　　模塊通常直接安裝至電機外殼表面，允許控制 PCB 僅沿模塊一側連接至信號引腳(圖 4)。 分隔到模塊對面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便 PCB 上無需存在高電流引線，從而簡化設計和生產(chǎn)。 傳熱式直接敷銅 (DBC) 結構在安裝表面和電氣有源組件之間提供 2500 Vrms電氣隔離。

　　由于電源連接位于模塊一側并且與控制 PCB 隔離，設計具有非常低電感的電源連接就成為可能，從而為 MOSFET 的直流連接濾波和 BVDSS 的設計留出額外裕量。 類似地，由于模塊內(nèi)包含所有高電流傳導路徑，從 VBAT+ 到 GND 產(chǎn)生的極低總電阻有助于提高系統(tǒng)效率，允許提高總線電壓利用率，并最大化電機端子可用的電壓。 這樣，系統(tǒng)設計人員在設計電機時就享有成本優(yōu)勢。

　　模塊內(nèi)部的 MOSFET 裸片可能位于緊密集成的 RC 濾波器元件附近，以便進行高效的 EMI 抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實現(xiàn)開關過渡。

　　-設計分立器件與模塊時遇到的機械挑戰(zhàn)

　　在采用分立包裝元件開發(fā)的變頻器中，比如 TO-247、TO-263 (D2PAK) 或 MO-299 封裝，存在必須由變頻系統(tǒng)設計人員處理的更多機械接口。 包括 MOSFET 封裝至 PCB、PCB 至隔離散熱器、散熱器至散熱片，還可能由散熱片至下一級組件。 這些機械接口與系統(tǒng)的熱性能有密切聯(lián)系。在模塊解決方案中，大多數(shù)接口都包含到功率模塊結構中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設計人員處理。 遵照 Fairchild 對表面平滑度和安裝螺釘扭矩(或夾合力)的建議，可在變頻器生命周期內(nèi)實現(xiàn)卓越的熱性能和振動性能。圖 5 顯示眾多通過安裝模塊滿足熱性能和振動性能例子中的一個。正確的安裝方法還能夠擴展產(chǎn)品的功率容量[6]。

　　圖 5 眾多擴展模塊功率范圍的模塊-散熱器-PCB 方法中的一個

　　-設計分立模塊時影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

　　與安裝在 PCB 或 IMS 上的六個或更多分立式 MOSFET 封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡化機械接口設計可獲得極好的熱性能。 為了舉例說明，圖 6 顯示 Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個 MOSFET 的結至殼以及典型結至散熱片瞬態(tài)熱阻[7]。 結至散熱片的熱阻假設為采用 30 微米膠層厚度，系數(shù)為 2.1 W/(m-K) 的導熱材料。

　　圖 6 FTCO3V455A1 APM 瞬態(tài)熱阻

　　采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，出色的熱性能使得整個變頻器可采用極高功率密度的封裝。 APM 的尺寸修剪為 29 mm x 44 mm x 5 mm，可構成約 400 mL 總容量的極緊湊變頻組件，包括繼電器、直流連接濾波器元件、控制 PCB、散熱片和連接器。 工作條件下的功率循環(huán)和紋波溫度分析最終明確了使用電源時所需的封裝和焊線應力[8]。

　　總結

　　將幾十年的線路驅(qū)動交流電機替代為變頻驅(qū)動的高效電機是一個節(jié)能的、對環(huán)境負責的趨勢，由功率半導體器件和現(xiàn)代機器控制技術實現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應需要和挑戰(zhàn)，滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。汽車和商用/工業(yè)電機行業(yè)都在尋求替代能源并創(chuàng)建更高效系統(tǒng)，從而減少傳統(tǒng)能耗并降低 CO2排放率。

　　引用文獻、注釋和參考文件

　　[1] OICA 代表“Organisation Internationale des Constructeurs d'Automobiles(世界汽車工業(yè)國際協(xié)會)”或“International Organization of Motor Vehicle Manufacturers(世界汽車工業(yè)國際協(xié)會)”

　　[2] 來源： IEA 世界能源展望。根據(jù)能源部 (DOE)，包括電機如泵、傳送機、壓縮機、風扇、混合器、研磨機和其他材料處理和加工設備在內(nèi)的美國制造行業(yè)消耗總電力的大約 54%。

　　[3] 替代燃料包括氫、生物燃料、乙醇、電氣和天然氣。

　　[4] 來自風力、太陽能、地熱能等的替代能源...

　　[5] 影響電機效率的工作條件： 電源電壓、轉(zhuǎn)速、負載轉(zhuǎn)矩和溫度

　　[6] 擴展功率模塊的功率范圍： http://blog.fairchildsemi.com/2014/attach-heatsink-spm-5-package/#.VGBak_nF-So

　　[7] 了解更多有關應用FTCO3V455A1 3 相逆變器汽車電源模塊 (APM) 的信息 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4160.pdf

　　[8] 不同電機控制應用需要不同智能電源模塊 (SPM®) 解決方案。提供您的技術規(guī)格并嘗試不同的 SPM® 部件編號，即刻查看損耗結果。接受正弦 PWM、空間矢量 PWM 和四種非連續(xù) PWM 方法。https://www.fairchildsemi.com/design/design-tools/motion-control-design-tool/