電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CO2排放率的挑戰(zhàn)和有效應(yīng)對(duì)方法

根據(jù) OICA（世界汽車(chē)工業(yè)國(guó)際協(xié)會(huì)），人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致氣候變化可能是21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)面臨的最大挑戰(zhàn)，而CO2是一個(gè)主要副產(chǎn)物。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會(huì)各界和各行各業(yè)做些積極的事情來(lái)控制CO2對(duì)氣候變化的影響。世界資源研究所關(guān)于全球資源CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16%來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)輛、44%來(lái)自發(fā)電和加熱、40%電力由工業(yè)和消費(fèi)電子電機(jī)消耗。本文針對(duì)汽車(chē)和電機(jī)行業(yè)介紹能夠減緩CO2增長(zhǎng)速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

汽車(chē)： 車(chē)輛電氣化

減少石油燃料和能耗的更高效汽車(chē)能夠減少CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，研究替代燃料來(lái)源以及如何改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。長(zhǎng)期挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)周期的長(zhǎng)時(shí)間（也就是5-7年）概念，支持新架構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價(jià)格可行的替代燃料來(lái)源。使用新燃料并不重要，因?yàn)檐?chē)輛設(shè)計(jì)需要滿足預(yù)定的質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。近期挑戰(zhàn)包括減少動(dòng)力系統(tǒng)的重量和尺寸并實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電氣化。車(chē)輛電氣化是將機(jī)械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)。實(shí)例包括選擇較小電機(jī)，輔以電動(dòng)增壓器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)水泵、電驅(qū)動(dòng)空調(diào)和電氣推動(dòng)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(chē)輛。

工業(yè)和消費(fèi)電子： 感應(yīng)電機(jī)到變頻電機(jī)（ECM、無(wú)刷式）

能夠減少電力消耗的更高效電機(jī)有助于減少CO2排放量。人們?cè)诓粩嘌芯扛?jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)（8-15 年無(wú)故障壽命）、重點(diǎn)關(guān)注可再生、替代能源的研發(fā)投資、以及能夠最大程度地提高各種電機(jī)效率的復(fù)雜控制和變頻驅(qū)動(dòng)。面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇是尋找合適的應(yīng)用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機(jī) 90% 的可靠感應(yīng)電機(jī)，并使用更高效電機(jī)（包括風(fēng)扇和泵），來(lái)循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢(shì)包括電子整流電機(jī) （ECM） 或無(wú)刷直流 （BLDC） 電機(jī)，以及專(zhuān)業(yè)開(kāi)關(guān)磁阻 （SR） 電機(jī)。對(duì)變頻電機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求可以節(jié)省電機(jī)消耗電力的約 30%，或者節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機(jī)有助于降低 CO2排放的增長(zhǎng)率。

最終影響趨勢(shì)的解決方案和平衡

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)。在汽車(chē)和工業(yè)/消費(fèi)電子應(yīng)用中，環(huán)境和應(yīng)用條件都很?chē)?yán)峻，并且總擁有成本必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制。例如，汽車(chē)機(jī)架式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能遇到超過(guò)100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負(fù)載，并且會(huì)接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時(shí)要求提供150A或更高的電機(jī)相電流，而損耗最小。家用電器、工業(yè)電機(jī)和泵都是針對(duì)放置于幾乎沒(méi)有強(qiáng)制氣流外殼中的設(shè)計(jì)和電路。高效電機(jī)將不同的電機(jī)技術(shù)、復(fù)雜的控制、熱機(jī)械創(chuàng)造性設(shè)計(jì)、新封裝和新硅技術(shù)融合到功率半導(dǎo)體中。若電源結(jié)構(gòu)和工作條件（包括電源電壓、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和溫度）已定義好，則效率決定因素包括電機(jī)技術(shù)類(lèi)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(fù)和改進(jìn)的電機(jī)技術(shù)

雖然滿載效率評(píng)級(jí)較高，但是大部分電機(jī)不是以滿載條件運(yùn)轉(zhuǎn)。哪種電機(jī)技術(shù)最好？ 看情況而定。大多數(shù)ACIM在75%至90%的額定負(fù)載下以最高效率運(yùn)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(yīng)導(dǎo)致的。對(duì)于通常以峰值幾分之一的負(fù)載使用電機(jī)的應(yīng)用而言，通過(guò)優(yōu)化預(yù)期負(fù)載范圍內(nèi)的效率，每年節(jié)省下來(lái)的能量相當(dāng)于節(jié)省電機(jī)/控制采購(gòu)價(jià)格的 50%。美國(guó)能源部（DOE）預(yù)計(jì)44%的工業(yè)電機(jī)（記得90% 已安裝電機(jī)為感應(yīng)電機(jī)）始終以低于其額定負(fù)載的40%運(yùn)行。平均來(lái)說(shuō)，交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）僅提供 44%的效率，而B(niǎo)LDC電機(jī)通常以65% 至90%的效率運(yùn)行。 作為電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)，圖1比較了ACIM和BLDC的電機(jī)效率（實(shí)際上，此處為室內(nèi)永磁交流電機(jī)）。 由于BLDC電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，BLDC電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅損。BLDC電機(jī)還具有更高效變速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，而在類(lèi)似負(fù)載條件下傳統(tǒng)ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機(jī)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的更復(fù)雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、正弦電機(jī)（即永磁交流和永磁同步電機(jī)）和ECM或無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)的效率。

解決方案2：通過(guò)PWM提高效率的方法

理想的電機(jī)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(jī)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?yàn)殡姍C(jī)只有兩相進(jìn)行PWM，而第三相配合始終“導(dǎo)通”的高側(cè)或低側(cè)晶體管運(yùn)行。DPWM產(chǎn)生較低的開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì)產(chǎn)生施加到電機(jī)的較高輸出紋波電壓。本文沒(méi)有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場(chǎng)定向控制（FOC）、變頻驅(qū)動(dòng)（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(shù)。通常來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)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(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體器件和恰當(dāng)?shù)腜WM控制方法，從而產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娫措妷翰ㄐ?，有助于高效推?dòng)一種電機(jī)技術(shù)。

解決方案3：功率半導(dǎo)體器件支持

解決方案3：功率半導(dǎo)體器件支持

功率電子設(shè)計(jì)中一個(gè)經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導(dǎo)體之間的選擇。有人可能會(huì)認(rèn)為使用分立器件的歷史習(xí)慣、物理布局的靈活性以及各個(gè)功率半導(dǎo)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(zhēng)論不休的因素。此外，從既定分立功率半導(dǎo)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(gè)選擇從來(lái)都不容易，也不明顯。需要考慮的3個(gè)關(guān)鍵因素和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物：

（1）電池/總線互聯(lián)、功率級(jí)，和電機(jī)

● 效率;

● EMI/EMC。

（2）熱堆疊設(shè)計(jì)

● PCB 元件到散熱片熱阻;

● 可靠性、成本和產(chǎn)量。

（3）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(gè)好主意。若分立器件不能滿足五個(gè)要求中的一個(gè)或多個(gè)要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個(gè)要求是：（1）可靠性;（2）結(jié)構(gòu)緊湊;（3）電氣性能;（4）增值互聯(lián);（5）熱性能。

在電氣、機(jī)械和熱領(lǐng)域的交互方面出現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級(jí)的高電流或低寄生效應(yīng)互聯(lián)，逆變器與電機(jī)之間的高電流接口，從逆變器到支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)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(shí)還能實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素與剛才強(qiáng)調(diào)的要求之間的平衡。

對(duì)于三相ACIM和BLDC變頻驅(qū)動(dòng)，存在六個(gè)驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因?yàn)楫?dāng)線路電壓、功率需求和工作溫度上升時(shí)，IGBT具有卓越的傳導(dǎo)性能。線路電壓總線輸入和變頻驅(qū)動(dòng)器通常需要功率因數(shù)校正（PFC） 級(jí)，以便最大化來(lái)自電網(wǎng)的功率級(jí)。在較低電壓如12V至48V電池/總線電壓下，MOSFET為首選并且是可行的，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)和開(kāi)關(guān)性能通常超過(guò) IGBT。從逆變器電路到電機(jī)的理想功率波形可以顯著提高效率。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)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(dòng)必須體現(xiàn)卓越機(jī)電性能（包括高效率）的電機(jī)。12V的總線可能需要六個(gè)40V額定MOSFET（典型裸片Rds（on）為1.15 mΩ），才能實(shí)現(xiàn)高電流和高效率運(yùn)行。或者線路電壓總線和高電流應(yīng)用可能需要并聯(lián)的多個(gè)分立IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)特性來(lái)篩選IGBT成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實(shí)現(xiàn)均流控制。若沒(méi)有匹配的IGBT，當(dāng)在高電流應(yīng)用中每個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)多個(gè)部件時(shí)，可能出現(xiàn)不想要的熱應(yīng)力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔(dān)匹配IGBT的責(zé)任，讓最終用戶無(wú)需擔(dān)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(jìn)EMI性能。 還包括用于電流感測(cè)的精密電流檢測(cè)電阻，可提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和過(guò)流保護(hù)。 另外，還有一個(gè)溫度感測(cè) NTC，用于監(jiān)控變頻器的發(fā)熱情況。

模塊通常直接安裝至電機(jī)外殼表面，允許控制PC僅沿模塊一側(cè)連接至信號(hào)引腳（圖2）。 分隔到模塊對(duì)面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便PCB上無(wú)需存在高電流引線，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。傳熱式直接敷銅（DBC）結(jié)構(gòu)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(cè)并且與控制PCB隔離，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)留出額外裕量。類(lèi)似地，由于模塊內(nèi)包含所有高電流傳導(dǎo)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(jī)端子可用的電壓。 這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)就享有成本優(yōu)勢(shì)。

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(jìn)行高效的EMI抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)過(guò)渡。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的機(jī)械挑戰(zhàn)

在采用分立包裝元件開(kāi)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(shè)計(jì)人員處理的更多機(jī)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(jí)組件。 這些機(jī)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(jié)構(gòu)中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理。 遵照 Fairchild對(duì)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(shí)現(xiàn)卓越的熱性能和振動(dòng)性能。圖3顯示眾多通過(guò)安裝模塊滿足熱性能和振動(dòng)性能例子中的一個(gè)。正確的安裝方法還能夠擴(kuò)展產(chǎn)品的功率容量。

設(shè)計(jì)分立模塊時(shí)影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

與安裝在PCB或IMS上的六個(gè)或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過(guò)使用功率模塊的簡(jiǎn)化機(jī)械接口設(shè)計(jì)可獲得極好的熱性能。 為了舉例說(shuō)明，圖4顯示Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個(gè)MOSFET的結(jié)至殼以及典型結(jié)至散熱片瞬態(tài)熱阻。結(jié)至散熱片的熱阻假設(shè)為采用30微米膠層厚度，系數(shù)為2.1 W/（m-K）的導(dǎo)熱材料。

采用這種從散熱片到硅的簡(jiǎn)單堆疊，出色的熱性能使得整個(gè)變頻器可采用高功率密度的封裝。 AP的尺寸修剪為29 mm x 44 mm x 5 mm，可構(gòu)成約400 mL總?cè)萘康臉O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(shí)所需的封裝和焊線應(yīng)力。

總結(jié)

將幾十年的線路驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)替代為變頻驅(qū)動(dòng)的高效電機(jī)是一個(gè)節(jié)能的、對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的趨勢(shì)，由功率半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代機(jī)器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應(yīng)需要和挑戰(zhàn)，滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。汽車(chē)和商用/工業(yè)電機(jī)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。

責(zé)任編輯：gt