學(xué)技術(shù) | 無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)設(shè)計(jì)的新起點(diǎn)

前言

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)設(shè)計(jì)很復(fù)雜。在大量的MOSFET、IGBT和門極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中開始選擇電子器件(舊的起點(diǎn)) 是茫然無(wú)助的。

安森美(onsemi)提供幫助，帶來(lái)一個(gè) “新的一階近似值起點(diǎn)”，提供與開關(guān)(N-FET或IGBT)相匹配的門極驅(qū)動(dòng)，更接近客戶的最終決定，并跨越了 “舊的起點(diǎn)”——看似無(wú)止境的產(chǎn)品系列。這包括5個(gè)全面的表格，包含的電機(jī)電壓有:12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V和650 V，最高可達(dá)6 kW。

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)

無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)具有許多優(yōu)于有刷永磁直流(PMDC)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，特別是更高的可靠性，幾乎無(wú)需維護(hù)，更低的電氣和聲學(xué)噪聲，更好的熱性能，更高的速度范圍，以及更高的功率密度。一個(gè)典型的BLDC電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用永久磁鐵，在定子上使用三個(gè)電樞繞組(U、V、W)。一個(gè)微控制器(MCU)實(shí)施各種控制和調(diào)制方案(梯形、正弦、帶有SVM的FOC、DTC等)中的一種，以策略性地給電機(jī)繞組通電。這就產(chǎn)生了電磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。如果操作得當(dāng)，這種相互作用力可以精確控制電機(jī)的速度、扭矩或所需方向的功率。

圖2展示了一個(gè)典型的三相BLDC電動(dòng)機(jī)的框圖。MCU執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件，它對(duì)其PWM外設(shè)發(fā)出指令，以向三個(gè)半橋門驅(qū)動(dòng)器輸出六個(gè)協(xié)調(diào)占空比。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)輸出橋中六個(gè)功率MOSFET的動(dòng)力轉(zhuǎn)向，給下橋(LS)和上橋(HS)U、V和W MOSFET通電。這些通常是N-溝道MOSFET，額定電壓為電機(jī)電壓的1.5~2.0倍，最高可達(dá)300 V。在300 V以上，N溝道MOSFET通常被IGBT取代，因?yàn)樗鼈兊墓β市阅芨摺?/p>

MCU可以通過(guò)FAN4852 CMOS運(yùn)算放大器(9 MHz典型帶寬)測(cè)量流過(guò)每個(gè)繞組的電流，且可選擇用霍爾效應(yīng)傳感器反饋評(píng)估轉(zhuǎn)子的角度位置?；蚩蓪?shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)傳感器的架構(gòu)，但需要更多的處理開銷。RSL10 BLE可用于資產(chǎn)跟蹤、空中固件更新(FOTA)、功能選擇/調(diào)整和遙測(cè)數(shù)據(jù)收集。

BLDC表#1:12 V和24 V(N-FET)高達(dá)1.1 kW

下表1列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”，為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，12 V的功率從93 W至372 W，24 V的功率從186 W至1.1 KW。

BLDC表#2:48 V和60 V(N-FET)高達(dá)1.5 kW

下表2列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”，為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，48 V的功率從186 W到1.5 kW，60 V的功率從186 W到1.5 kW。

BLDC表#3:48 V和60 V(N-FET)高達(dá)3 kW

下表3列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”，為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，120 V的功率從186 W到為1.8 kW，200 V的功率從186 W到3 kW。

BLDC表#4:300 V和400 V(IGBT)高達(dá)6 kW

下表4列出了“新的一階近似值起點(diǎn)” 為IGBT提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，300 V的功率從372 W到4.5 KW，400 V的功率從372 W到6 kW。

BLDC表 #5:300 V、400 V和650 V(IPM)高達(dá)6 kW

下表5列出了集成功率模塊(IPM)的“新的一階近似值起點(diǎn)”，其中，門極驅(qū)動(dòng)器和IGBT被集成到一個(gè)易于使用的模塊，300 V的功率從372 W到4.5 KW，400 V的功率從372 W到6 kW，和650 V的功率從372 W到6 kW。

安森美提供了一個(gè)很好的在線工具，用于構(gòu)建帶有 IPM(集成功率模塊)的BLDC。用戶輸入15種工作條件，該工具會(huì)生成多個(gè)詳細(xì)的分析表以及12個(gè)捕獲關(guān)鍵熱和功率性能的圖表(圖3)。

BLDC表#1-#5

BLDC很復(fù)雜，從頭到尾有數(shù)百個(gè)決定要做。例如，如果您有3個(gè)不同的客戶；a、b和c(圖1)，從相同的“起點(diǎn)”(24 V，11/4 hp電機(jī))開始，當(dāng)所有3個(gè)客戶瀏覽了他們各自的決策樹時(shí)，他們的最終設(shè)計(jì)將完全不同。這是因?yàn)槊總€(gè)客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護(hù)、使用壽命等的門檻。

因此，建立的門極驅(qū)動(dòng)與開關(guān)(MOSFET/IGBT)匹配表不可能對(duì)每個(gè)客戶都合適。如果我們嘗試，可能對(duì)一個(gè)客戶是適用的，而對(duì)另外999個(gè)客戶則不適用。然而，我們可以基于智能工程的考量做出一些合理的假設(shè)，并產(chǎn)生一個(gè) “一階近似值”，它介于交給客戶開關(guān)和門極驅(qū)動(dòng)器組合(舊的起點(diǎn):你是自己的)與客戶的最終決定之間。

一階近似工程考量

成本：我們力求篩選出最低成本，同時(shí)滿足以下考量。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：選擇梯形(又名6步控制)換向是因?yàn)樗目刂葡鄬?duì)簡(jiǎn)單并產(chǎn)生高效和高峰值扭矩。由于在任何時(shí)候只有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，因此每個(gè)開關(guān)的“導(dǎo)通時(shí)間”占空比為33%。

PWM占空比：PWM頻率為15 kHz。這是大多數(shù)6 kW以下BLDC的典型情況。

門極驅(qū)動(dòng)器： 結(jié)隔離門極驅(qū)動(dòng)器。這些表格不包括電隔離。

溫度：環(huán)境溫度85 ℃。

門極驅(qū)動(dòng)計(jì)算：額定門極驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方法是將Q G(TOT)(nC)除以開/關(guān)時(shí)間(ns)。我們?yōu)镹-FET選擇 50 ns開/關(guān)，為IGBT選擇200 ns。

N-FET結(jié)溫：對(duì)于表面貼裝封裝(無(wú)散熱器)的(T j) 由 T j = P DISS x R θJA + Ambient 計(jì)算，在最大額定 T j以下至少留有25 ℃的余量。

其中：

- R θJA = 結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻

IGBT結(jié)溫：帶散熱片的通孔封裝的IGBT結(jié)溫(T j)計(jì)算公式為T j=P DISS x (R θJC+R θCS + R θSA )+環(huán)境，在最大額定 T j以下至少留有50 ℃的余量。

其中：

- R θJC = 結(jié)到殼的熱阻

- R θCS = 殼到散熱片的熱阻

- R θSA = 散熱片到環(huán)境的熱阻

N-FET功耗： I PHASE2 (A) x R DSON(歐姆)。

IGBT 功耗：開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗 + 二極管損耗

其中：

- 開關(guān)損耗 = E ts (J) x PWM 頻率(Hz)

- 導(dǎo)通損耗 = I PHASE (A) x V CE(SAT) (V)

- 二極管損耗 =(開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗)x 0.25

額定開關(guān)電壓：N-FET V(BR)DSS和IGBT VCES = 2-3x 電機(jī)電壓

額定開關(guān)電流：N-FETID和IGBTIC=3 x I PHASE。

電機(jī)相電流： I PHASE = 1.23 x P OUT / V BUS

其中：

- IPHASE = 電機(jī)相電流, 安培

- POUT = 逆變器到電機(jī)的電功率輸出

- PF=電機(jī)功率因數(shù)，0.0–1.0，1.0是理想的(我們假設(shè)為 0.85)

- VBUS = 電機(jī)總線電壓、VDC 或 24 V

- MI = 調(diào)制指數(shù)，0.0 – 1.0，典型值為0.9(我們假設(shè)為0.9)

轉(zhuǎn)自——onsmei 無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)設(shè)計(jì)的新起點(diǎn)