在馬達設計中提升更高的效率

近些年來，家用電器對節(jié)能的要求變得越來越強烈。這是很顯然的，僅電冰箱所消耗的能量就超過家庭用電量的10％。由于電冰箱的馬達主要在低速運轉，就有非常大的節(jié)能潛力，通過在低速驅動器中簡單改進馬達的驅動效率就能實現(xiàn)。

同樣，據(jù)估計工業(yè)用電的65％被電驅動馬達所消耗，毫無疑問，商家正逐漸意識到節(jié)能將成為改善收益率和競爭能力的關鍵。在電驅動馬達中降低能量消耗有兩種主要的方式：改善馬達本身的效率和使用可調速驅動器來有效地控制其工作速度。下面將介紹這兩種方法。

變頻驅動器
馬達的應用已經(jīng)接近100年了，目前較新的應用使用了更加高效、簡捷和輕便的馬達，包括無刷直流馬達系列和磁阻切換馬達系列。無刷直流馬達和磁阻切換馬達都使用一個MCU或DSP來合成驅動信號，然后使用MOSFET或IGBT器件作為功率開關進行放大。

能耗成本的增加正促使人們重新對采用變頻驅動的無刷直流馬達產生了興趣。這些高效而通用的馬達有很高的扭矩重量比，但是阻礙它們廣泛應用的主要因素是驅動電路的高成本和高復雜性。

設計變頻驅動器有幾種不同的方法。常規(guī)三相馬達的最流行低頻驅動方法是梯形波驅動（見圖1）。

圖1 梯形波控制和實測波形

如果需要更高的效率和性能，就必須通過脈寬調制（PWM）方法來產生正弦波。為了更進一步的改進效率，還可以使用空間向量調制方法。

具有永磁體的三相同步馬達有兩種主要的類型：正弦脈沖調制（PM）同步馬達和梯形無刷直流馬達。二者在許多方面是相同的（例如，二者都是電子換向的），但也有兩個主要的差別。

● 馬達的結構
正弦控制波形馬達與梯形控制波形馬達的BEMF感生電壓的形狀不同。

● 控制方式
控制電壓波形不同，分別是三相正弦波形（所有三個相位同時接通）與矩形六步換向（任何時候都有一個相位不接通）。

正弦脈沖調制（PM）同步馬達日益流行，在非常多的應用中替代了有刷直流常規(guī)馬達和其他類型的馬達。主要的原因是它可以提供更好的可靠性而不需要電刷，以及有更高的效率、更低的噪聲和其他優(yōu)點（如圖2所示）。

圖2 內置永磁同步馬達（IPMSM）向量控制系統(tǒng)框圖
　　
智能功率模塊
隨著小型化馬達的設計越來越容易，智能功率模塊（SPM）提供了與MCU或DSP的功率接口。這些模塊相比分立元件方案的主要優(yōu)點是降低了寄生自感和具有更高的可靠性，這是由于模塊中所有開關器件都使用了相同類型的基底。因此，它們具有相同的特性，以及很好的可測試性。

SPM是一個驅動電路，可以直接與微控制器的低壓TTL或CMOS輸出引腳，以及其他保護電路連接。模塊有一個溫度傳感器來監(jiān)視節(jié)點的溫度，有相應的控制邏輯來阻止高端和低端開關管的偶然打開、死區(qū)控制，以及波形整形電路以降低EMI。這些模塊的驅動集成電路可以對開關功率器件優(yōu)化以減少EMI和驅動損耗。

高壓橋驅動器
緊湊、低功耗型模塊為馬達驅動器帶來高壓（600V）橋驅動的變革。這些驅動器經(jīng)過精心設計來減少內部高壓集成電路工藝中的寄生漏-源極電容，因此可以在標準負電壓超過-9V的環(huán)境下穩(wěn)定工作。

供電電壓正和負峰值不會使驅動器閉鎖和失去柵極控制，而最近十幾年，柵極驅動器卻發(fā)生了很大的改變。如果傳輸延遲低于50ns，就可以使開關頻率高達100或150kHz。

集成電路內部的共模dv/dt噪聲吸收電路有助于降低錯誤打開的可能性，并使功率電路更加穩(wěn)固，而且不需要額外的濾波電路就能夠使體積更加緊湊。低靜態(tài)電流的現(xiàn)代集成電路，例如FAN7382和FAN7384，能降低工作溫升，因而增加可靠性。

另外一個更大的優(yōu)點是減少了電路板的面積和成本，它替代了在微控制器PCB和功率開關PCB之間的四種隔離供電和光耦合隔離電路，而這在早先一代的馬達驅動器產品中則是非常普遍的。
　　
IGBT：NPT與PT的比較
二十多年來，馬達驅動器中的功率開關器件一直是IGBT，它在一定開關頻率下可以降低損耗。對于馬達驅動器領域，這也表明IGBT系列面向消費類馬達的驅動頻率大約為5kHz，許多工業(yè)馬達的驅動頻率大約是29kHz，而有些馬達驅動的驅動器則有更高的驅動頻率。

IGBT不斷革新，每個開關周期中的導通電壓和關閉能量與模塊的可靠性和低成本都有很大的關系。最近五年，常規(guī)IGBT的能力得到了巨大的改進，而且新興的非擊穿IGBT更加普及。看起來非常像常規(guī)擊穿IGBT的NPT IGBT是通過與以往不同的工藝制造的。與MOSFET和常規(guī)IGBT不同，NPT IGBT在晶圓工藝中使用P區(qū)域和底層金屬區(qū)域填充。

NPT IGBT的導通電壓Vce(sat)通常不會比常規(guī)IGBT的高，或者至少一樣低。然而，它們通常更加穩(wěn)固。可以承受相當長時間短路或過流條件的能力使它們在馬達控制領域非常流行。此外，如果對比兩種類型IGBT的開關波形，就可以發(fā)現(xiàn)NPT IGBT產生的EMI比PT IGBT低很多。

NPT IGBT有一個基本是單一斜率的下降時間
換句話說，常規(guī)IGBT的下降時間由一個dI/dt非常高的區(qū)域和之后一個非常長的尾跡組成。在后一個區(qū)域，電流的下降速率非常低，而且器件損耗非常高。在高dI/dt的區(qū)域，常規(guī)IGBT所產生的EMI是很高的，通常會具有影響驅動電路的可能，必須將驅動電路和功率開關管隔離。NPT IGBT的另一個優(yōu)點是，它可以采用Vce(sat)是正溫度系數(shù)的工藝制造，這是并聯(lián)IGBT時非常重要的參數(shù)。