工业电机驱动保姆级方案设计资料

????电机驱动架构
电网供电的电机控制电路总体架构由以下要素组成：整流器、 电源、 检测、 控制硬件和功率级。

整流器级负责将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)。这可以利用简单的二极管桥来实现， 但为了提高系统的能效和功率因数（从而降低无功功率） ， 可以使用功率因数校正级。可选的 DC-DC 级用于将直流电压转换为电机所需的电压。辅助电源将交流输入或直流母线转换为不同的低电压， 从而为控制硬件（MCU、 存储器、 接口等） 和栅极驱动器供电。

制动回路用于在减速过程中耗散能量。与电源断开连接时， 电机开始作为发电机运转。动态制动利用与功率开关（通常是 IGBT） 串联的制动电阻来耗散电机的功率。

逆变器由功率开关构成， 后者负责将功率传输至电机。根据功率水平需求， 可以利用 Si MOSFET、 IGBT 或碳化硅 (SiC)MOSFET， 将功率开关设计为分立式、 功率模块式或集成栅极驱动器的模块。

为了准确执行电子换向， 必须确定转子的位置。传统上， 这是利用霍尔传感器实现的。更新颖的方案用到了光学或电感传感器， 而有些方案则跳过传感器， 直接测量反电动势。电感式位置传感器（如 NCS32100） 在启动过程中尤其有用， 可以提供所需的转子精确位置。在停机期间， 转子位置可能会发生变化， 因此其最后已知状态是不可靠的。

• 为广泛的光学编码器提供成本更低的替代方案

????功率因数校正
功率因数校正 (PFC) 级是一个 AC-DC 转换器， 用于整形输入电流， 使之匹配输入电压的形状。这样做可减少谐波并提高能效。

PFC 级的实现方式通常是在整流桥和输入电容之间插入升压转换器级。在单相应用中， 可以使用交错式升压（图 2） 或图腾柱 PFC。根据所使用的控制器和导通模式， 这些拓扑通常可用于高达 2 kW 的功率。

图腾柱 PFC（图 4） 用有源开关取代桥式二极管， 以减少损耗。图腾柱 PFC 级由快桥臂和慢桥臂组成， 前者以 100kHz 或更高的频率切换， 而后者以市电频率切换。在快桥臂中， 宽禁带半导体是理想选择， 能够支持更高的开关频率，从而可以减小无源器件的尺寸。慢桥臂开关可以使用 IGBT。

对于三相高功率应用， Vienna 整流器、 有源前端或集成 PFC 的功率模块是理想选择。Vienna 整流器（图 3） 能效高，但由于所需功率开关数量较多且控制更复杂， 所以成本较高。欲进一步了解 AC-DC 拓扑， 请参阅揭秘三相有源前端或功率因数校正 (PFC) 拓扑。

模块集成了功率器件和保护功能（例如欠压锁定、 短路保护、 热检测等） ， 并且经过了全面测试， 因此所需空间更小且更加可靠。安森美提供 SiC 和 IGBT 模块， 以及多种封装、 拓扑和特性选项。

功率集成模块将分立输出级和 AC/DC 转换器集成到单个器件中。一些 PIM 还集成了制动器， 因此被称为转换器-逆变器-制动器 (CIB) PIM。PIM 仍然需要单独且合适的栅极驱动器。

智能功率模块除了逆变器级之外， 还包含栅极驱动器和保护功能。使用此类模块可大幅减小系统尺寸并加快产品上市。图 6 为安森美 IPM 及其要素的示例。

????碳化硅 MOSFET - EliteSiC 技术
对于需要高电压和高频率的应用， SiC MOSFET 是理想选择。碳化硅是一种宽禁带半导体。这种材料兼具许多优异的固有特性， 例如电子迁移率更高、 本征载流子浓度更低和热导率更高。材料之间的对比参见表 1。与硅相比， SiC MOSFET 电流密度更高， 开关损耗更低， 散热系统更简单。采用 SiC 技术的系统导通损耗较低， 因此能效更高。

EliteSiC 是安森美 SiC 技术的品牌名称。EliteSiC MOSFET 的击穿电压范围为 650V 至 1700V。由于采用特殊的平面设计， 所有 EliteSiC SiC MOSFET 产品系列在整个生命周期内的 RDS(ON)、 VTH 或二极管正向电压均无漂移。

• 高速开关和低电容(COSS=146 pF)

表 1：硅与碳化硅材料特性对比

安森美提供采用 SiC MOSFET 和 IGBT 技术的功率集成模块。这些模块有助于改进设计， 最高支持 1200V 电压。

IGBT 器件的主要缺点是开关速度低， 不过这在电机控制应用中不那么重要， 且得益于高电压、 大电流能力和成本较低等优势， 此类器件仍然是优选。

SiC 器件因出色的性能和功率密度而迅速普及。SiC 功率器件的开关损耗更低， 因此可以提高能效、 降低散热要求， 或可用于提高开关频率、 减小无源元件的尺寸和成本， 从而弥补 SiC 功率器件成本较高的缺点。

• HPD 直接键合铜衬底

PLECS 是一种系统级仿真工具， 可通过优化的器件模型促进完整系统的建模和仿真， 尽可能地提高速度和精度。

PLECS 不同于基于 SPICE 的电路仿真工具， 后者更侧重于电路元件的低层行为。PLECS 模型称为“热模型” ， 包含导通损耗和开关损耗的查找表及热链。在仿真过程中， PLECS 采用插值和外推法， 通过损耗表来确定与电路运行相关的偏压点导通损耗和开关损耗。

PLECS 提供一系列适用于工业电机控制的逆变器拓扑， 包括半桥、 全桥和三相逆变器。

选择所需的拓扑后， 用户可以修改电路的额定电压和功率并选择功率开关。目前， PLECS 仅限于 SiC MOSFET 和功率模块、 FS7 IGBT 和 T10 硅 MOSFET。然后， 用户可以在图表（图 16） 和表格中查找器件的损耗和热数据。

图 18：损耗分解 (75°C)

MOSFET 和 IGBT 无法由 MCU 或控制器直接驱动， 所以必须借助栅极驱动器来驱动。栅极驱动器可以是单个半桥， 驱动一个高侧开关和一个低侧开关， 也可以包含三个半桥栅极驱动器， 控制所有三个电机相。

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