馬達設計的技巧

布局約束因素
現今的可調速驅動(dòng)電路都采用變頻器來(lái)調整輸出電流，以滿(mǎn)足三相馬達的要求。變頻器的形狀大小通常會(huì )受到應用的限制。在許多情況下，電路板與馬達靠得很近，而馬達構造的高度也會(huì )受限。另外，所用高功率半導體器件的物理性質(zhì)和所選封裝的形狀，也要求電路板上有足夠的位置空間。功率半導體開(kāi)關(guān)工作期間產(chǎn)生的電壓、電流交疊會(huì )造成損耗，必須將其消除。雖然功率耗散問(wèn)題可以通過(guò)加設散熱片而得到改善，但這也會(huì )限制半導體器件在電路板上的布局安排。

變頻器是達到EcoDesign節能要求的關(guān)鍵技術(shù)。美國電力科學(xué)研究院（Electric Power Research Institute）的研究表明，采用變頻器的馬達比無(wú)變頻器的馬達節能多達40%。無(wú)論是感應馬達、永磁同步馬達，還是無(wú)刷直流馬達，都可由變頻器為其產(chǎn)生正弦電流。為此，開(kāi)關(guān)頻率必須比變頻器的可調輸出頻率高幾個(gè)數量級。而經(jīng)脈沖寬度調制的輸出電壓則會(huì )施加在電感性負載上。因此，輸出電流與電壓的平均值成正比。開(kāi)關(guān)頻率越高，對變頻器越有利；而驅動(dòng)的扭矩波動(dòng)越小，動(dòng)態(tài)響應性能便更高，噪聲也會(huì )變得更低。這就要求開(kāi)關(guān)速率快，而開(kāi)關(guān)速率快意味著(zhù)di/dt和dv/dt的變化率通常都很高。因此，電路寄生就成為一個(gè)大問(wèn)題，設計人員必須努力解決這個(gè)問(wèn)題，才能滿(mǎn)足目前和未來(lái)的EMC標準要求。

成本是電路布局必須考慮的另一個(gè)約束因素。許多情況下，都采用雙面電路板。而電路板上的不同區域常常只能使用一種焊接工藝。因此，就提高成本效益而言，表面貼裝半導體器件是越來(lái)越受歡迎的解決方案。

設計考慮因素
目前，大功率半導體器件(如IGBT和MOSFET)的發(fā)展趨勢是在提升性能的前提下不斷縮小芯片尺寸。減小芯片尺寸能減少器件的寄生電容，從而提高開(kāi)關(guān)速率。因此，深入研究電路板上的關(guān)鍵回路越來(lái)越重要。圖1為電壓源變頻器(voltage source inverter，VSI)的兩種典型開(kāi)關(guān)工作方式的簡(jiǎn)化示意電路。在開(kāi)關(guān)頻率受限的大電流應用中，IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(HS)續流二極管到低壓側IGBT的換流。電流最初是在高壓側二極管和相應反相半橋的IGBT形成的續流通道中。

圖1 簡(jiǎn)化的換向電路

一旦低壓側柵極驅動(dòng)電路導通了IGBT，就會(huì )有短路電流經(jīng)過(guò)高壓側二極管和低壓側IGBT。其結果是二極管電流降低，IGBT電流相應增加(自然換相：12)，在開(kāi)關(guān)期間，電感性負載的電流可視為常數。因此，雜散部件與該通道無(wú)關(guān)。開(kāi)關(guān)速率由低壓側IGBT的導通和半橋的雜散電感來(lái)決定。要實(shí)現從低壓側IGBT到高壓側續流二極管的反向換流，低壓側IGBT上的壓降必須大于直流總線(xiàn)電壓，以導通續流二極管。因此，IGBT在與二極管換流(強制換相：21)之前必須能同時(shí)承受高電壓和大電流。