【導讀】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(fā)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(qū)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(guī)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子不需要供電，因此無需電刷和滑環(huán)，換向器組件也簡化了結(jié)構(gòu)。這也使得無刷直流電機在更小的封裝內(nèi)，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(zhuǎn)子，它與定子線圈產(chǎn)生的電磁場相互作用。這些線圈以精確的模式導通和關(guān)斷，以確保轉(zhuǎn)子有效轉(zhuǎn)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(xiàn)精確控制。微控制器向開關(guān)發(fā)送信號，控制通過線圈的電流。盡管微控制器控制給電機驅(qū)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(guān)電機效率的法規(guī)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(tài)，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(qū)動器過熱時，不良的熱性能會阻止逆變器向電機驅(qū)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(xiàn)電機小型化，并且會增加BOM物料數(shù)、增加設計復雜性并降低設計的機械強度。
BridgeSwitch電機驅(qū)動器
Power Integrations (PI) 在開發(fā)用于離線功率變換和柵極驅(qū)動的高度集成的高壓IC方面擁有豐富的經(jīng)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(gòu)，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(qū)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(qū)動器的損耗所產(chǎn)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(fā)熱點。
這就是PI的BridgeSwitch?系列集成半橋(IHB)電機驅(qū)動器，適用于驅(qū)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(qū)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(qū)動電感負載的理想選擇。它們可顯著降低開關(guān)損耗，并具有軟恢復特性以減少EMI。
bridgeswitch schematic
BridgeSwitch IC可自行供電，允許使用更簡單的系統(tǒng)供電電源(例如PI的LinkSwitch?-TN2)來驅(qū)動微控制器。可以使用小型非隔離驅(qū)動器，而不是傳統(tǒng)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(nèi)部還集成逆變器診斷功能，可減少所需的傳感器數(shù)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(tǒng)級監(jiān)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(gòu)具有硬件方式實現(xiàn)的逐周期下管和上管過流保護以及板載監(jiān)測功能，因此更容易通過UL/IEC60730認證。通過硬件方式實現(xiàn)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。
BridgeSwitch參考設計套件
為了讓設計更快地推向市場，PI還為BridgeSwitch產(chǎn)品系列開發(fā)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。
這些電路板都不需要散熱片。
為了進一步簡化設計過程，PI推出了Motor-Expert?，這是一款電機控制配置和診斷應用程序，為所有參數(shù)和命令提供了圖形用戶界面，以及用于以串行模式與電機控制器交互的終端仿真器。Motion Scope（運行概覽）功能提供可實時查看的重要控制器變量的線性圖。
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1、PI發(fā)布Motor-Expert軟件，簡化無刷電機驅(qū)動設計
2、PI發(fā)布新型控制軟件，無刷直流驅(qū)動的成本和復雜度大幅降低
來源：電子產(chǎn)品世界，作者：Cristian Ionescu-Catrina（Power Integrations高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理）
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