更高效電機驅動(dòng)的基本挑戰和解決方案

　　摘要： 汽車(chē)與工業(yè)/消費電子電機行業(yè)之間具有類(lèi)似的需求和挑戰。為了減少 CO2的排放率，這兩個(gè)行業(yè)都在尋求替代能源，創(chuàng )建能夠減少傳統能耗的更高效系統。變頻器驅動(dòng)的電機應用了幾十年，經(jīng)過(guò)事實(shí)驗證的可靠電機設計需要半導體器件支持和更復雜控制的解決方案。滿(mǎn)足這些需要和挑戰就能夠滿(mǎn)足環(huán)保、法規和客戶(hù)需要。

　　圖 1. 汽車(chē)、工業(yè)和消費電子電機的環(huán)保和能耗趨勢概述

　　根據 OICA[1]，人類(lèi)活動(dòng)導致的氣候變化可能是 21 世紀人類(lèi)社會(huì )面臨的最大挑戰，而 CO2是一個(gè)主要副產(chǎn)物(圖 1)。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排放量的數據表明 16% 來(lái)自機動(dòng)車(chē)輛，44% 來(lái)自發(fā)電和加熱。40% 電力由工業(yè)和消費電子電機消耗[2]。隨著(zhù)全球人口增加、需求越來(lái)越大，城鎮化帶來(lái)更多便利性，越來(lái)越多的車(chē)輛帶來(lái)更大移動(dòng)性，對更多電力的需求意味著(zhù)需要尋找能夠最大程度地減少 CO2排放量以便最大程度地降低社會(huì )成本的其他措施。CO2排放量肯定會(huì )增加，但可通過(guò)一些方法來(lái)減緩氣候變化。本文針對汽車(chē)和電機行業(yè)介紹能夠減緩 CO2增長(cháng)速度的挑戰和有效解決方案。

　　- 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，研究替代燃料來(lái)源以及如何改進(jìn)傳統的內燃機。長(cháng)期挑戰包括生產(chǎn)周期的長(cháng)時(shí)間(也就是 5-7 年)概念，支持新架構、可持續發(fā)展、容易獲得，且價(jià)格可行的的替代燃料來(lái)源[3]。使用新燃料并不重要，因為車(chē)輛設計需要滿(mǎn)足預定的質(zhì)量和性能標準。近期挑戰包括減少動(dòng)力系統的重量和尺寸并實(shí)現車(chē)輛電氣化。車(chē)輛電氣化(圖 2)是將機械系統替代為電氣系統，以及電動(dòng)和混合動(dòng)力驅動(dòng)電機。實(shí)例包括選擇較小電機，輔以電動(dòng)增壓器、電動(dòng)助力轉向、電動(dòng)水泵、電驅動(dòng)空調和電氣推動(dòng)系統。解決這些挑戰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。

　　圖 2. 電動(dòng)助力轉向(車(chē)輛電氣化的一個(gè)實(shí)例)

　　- 工業(yè)和消費電子： 感應電機到變頻電機(ECM、無(wú)刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機有助于減少 CO2排放量。人們在不斷研究更節能的氣冷和水冷系統。挑戰包括長(cháng)壽命設計(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[4]、以及能夠最大程度地提高各種電機效率的復雜控制和變頻驅動(dòng)。面臨的挑戰和機遇是尋找合適的應用，繼續使用目前占全球已安裝電機 90% 的可靠感應電機，并使用更高效電機(包括風(fēng)扇和泵)，來(lái)循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢包括電子整流電機 (ECM) 或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機，以及專(zhuān)業(yè)開(kāi)關(guān)磁阻 (SR) 電機。對變頻電機不斷增長(cháng)的需求可以節省電機消耗電力的約 30%，或者說(shuō)節省全球所消耗電力的 12%。更高效電機有助于降低 CO2排放的增長(cháng)率。

　　- 最終影響趨勢的解決方案和平衡

　　電力系統設計人員必須克服很多挑戰才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機驅動(dòng)。在汽車(chē)和工業(yè)/消費電子應用中，環(huán)境和應用條件都很?chē)谰?，并且總擁有成本必須?jīng)過(guò)嚴格審查。例如，汽車(chē)機架式電動(dòng)助力轉向系統可能遇到超過(guò) 100?C 的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負載，并且會(huì )接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時(shí)要求提供 150 A 或更高的電機相電流，而損耗最小。家用電器和工業(yè)電機和泵都是針對放置于幾乎沒(méi)有強制氣流的外殼中的設計和電路。高效電機將不同的電機技術(shù)、復雜的控制、熱機械創(chuàng )造性設計、新封裝、和新硅技術(shù)融合到功率半導體中。若電源結構和工作條件[5]已定義好，則效率決定因素包括電機技術(shù)類(lèi)型、不同脈寬調制 (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： 恢復和改進(jìn)的電機技術(shù)

　　雖然滿(mǎn)載效率評級較高，但是大部分電機均不是以滿(mǎn)載條件運轉。哪種電機技術(shù)最好? 看情況而定。大多數ACIM在 75% 至 90% 的額定負載下以最高效率運行。ACIM 的轉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子和定子中的渦電流和滯后效應導致的。對于通常以峰值幾分之一的負載使用電機的應用而言，通過(guò)優(yōu)化預期負載范圍內的效率，每年節省下來(lái)的能量相當于節省電機/控制采購價(jià)格的 50%。 能源部 (DOE) 預計 44% 的工業(yè)電機(記得 90% 已安裝電機為感應電機)始終以低于其額定負載的 40% 運行。平均來(lái)說(shuō)，交流感應電機 (ACIM) 僅提供 44% 的效率，而 BLDC 電機通常以 65% 至 90% 的效率運行。 作為電動(dòng)汽車(chē)牽引電機，下面圖 3 比較了 ACIM 和 BLDC 的電機效率(實(shí)際上，此處為室內永磁交流電機)。 由于 BLDC 電機的永磁轉子結構，BLDC 電機不會(huì )產(chǎn)生轉子銅損。BLDC 電機還具有更高效變速運行的優(yōu)勢，而在類(lèi)似負載條件下傳統 ACIM 僅提供 15-40% 的效率。新電機技術(shù)和驅動(dòng)電機的更復雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應電機 (ACIM)、正弦電機(即永磁交流和永磁同步電機)和 ECM 或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機的效率。

　　圖 3 電動(dòng)汽車(chē)牽引電機效率比較

　　解決方案 #2： 通過(guò) PWM 提高效率的方法

　　理想的電機功率波形可以顯著(zhù)提高效率。有很多種 PWM 方法，每種都有利有弊(表 1)。連續 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三相前的調制。非連續 PWM (DPWM) 是指基于空間矢量 PWM的兩相調制，因為電機只有兩相進(jìn)行 PWM，而第三相配合始終“導通”的高側或低側晶體管運行。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)量比較表明較低調制下的 SVPWM 和高調制范圍內的 DPWM 方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當的功率半導體器件和恰當的 PWM 控制方法，從而產(chǎn)生恰當的電源電壓波形，有助于高效推動(dòng)一種電機技術(shù)[6]。

　　表 1： 按照利弊和應用要求選擇 PWM 類(lèi)型

　　解決方案 #3： 功率半導體器件支持

　　功率電子設計中一個(gè)經(jīng)常討論的話(huà)題是功率模塊和分立功率半導體之間的選擇。有人可能會(huì )認為使用分立器件的歷史習慣、物理布局的靈活性以及各個(gè)功率半導體廠(chǎng)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論不休的因素。此外，從既定分立功率半導體器件轉換到功率模塊需要額外的客戶(hù)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)鍵因素和對應的產(chǎn)物：

　　• 電池/總線(xiàn)互聯(lián)、功率級，和電機

　　• 效率

　　• EMI/EMC

　　• 熱堆疊設計

　　• PCB 元件到散熱片熱阻

　　• 可靠性、成本和產(chǎn)量

　　• 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(mǎn)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：

　　• 可靠性

　　• 結構緊湊

　　• 電氣性能

　　• 增值互聯(lián)

　　• 熱性能

　　在電氣、機械和熱領(lǐng)域的交互方面出現關(guān)鍵挑戰。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應互聯(lián)，逆變器與電機之間的高電流接口，從逆變器到支架結構的穩定機械互聯(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，同時(shí)還能實(shí)現各個(gè)因素與剛才強調的要求之間的平衡。

　　對于三相 ACIM 和 BLDC 變頻驅動(dòng)，存在六個(gè)驅動(dòng)三個(gè)電機相位的晶體管。大多數線(xiàn)路電壓總線(xiàn)控制是 IGBT，因為當線(xiàn)路電壓、功率需求和工作溫度上升時(shí)，IGBT 具有卓越的傳導性能。線(xiàn)路電壓總線(xiàn)輸入和變頻驅動(dòng)器通常需要功率因數校正 (PFC) 級，以便最大化來(lái)自電網(wǎng)的功率級。在較低電壓如 12 V 至 48 V 電池/總線(xiàn)電壓下，MOSFET 為首選并且是可行的，因為其傳導和開(kāi)關(guān)性能通常超過(guò) IGBT。從逆變器電路到電機的理想功率波形可以顯著(zhù)提高效率。

　　-設計分立器件與模塊時(shí)遇到的電氣挑戰

　　變頻的主要功能是產(chǎn)生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅動(dòng)必須體現卓越機電性能(包括高效率)的電機。12 V 的總線(xiàn)可能需要六個(gè) 40 V 額定 MOSFET(典型裸片 Rds(on)為 1.15 mW) )，才能實(shí)現高電流和高效率運行?；蛘?，線(xiàn)路電壓總線(xiàn)和高電流應用可能需要并聯(lián)的多個(gè)分立 IGBT。根據特定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅動(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)現均流控制。若沒(méi)有匹配的 IGBT，當在高電流應用中每個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)多個(gè)部件時(shí)，可能出現不想要的熱應力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔匹配 IGBT 的責任，讓最終用戶(hù)無(wú)需擔憂(yōu)。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的精密電流檢測電阻，可提供電流反饋，實(shí)現電機控制和過(guò)流保護。 另外，還有一個(gè)溫度感測 NTC，用于監控變頻器的發(fā)熱情況。

　　圖4 FTCO3V455A1 3 相變頻汽車(chē)功率模塊 (APM)

　　模塊通常直接安裝至電機外殼表面，允許控制 PCB 僅沿模塊一側連接至信號引腳(圖 4)。 分隔到模塊對面的電源引線(xiàn)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(xiàn)，從而簡(jiǎn)化設計和生產(chǎn)。 傳熱式直接敷銅 (DBC) 結構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并且與控制 PCB 隔離，設計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 的設計留出額外裕量。 類(lèi)似地，由于模塊內包含所有高電流傳導路徑，從 VBAT+ 到 GND 產(chǎn)生的極低總電阻有助于提高系統效率，允許提高總線(xiàn)電壓利用率，并最大化電機端子可用的電壓。 這樣，系統設計人員在設計電機時(shí)就享有成本優(yōu)勢。

　　模塊內部的 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)現開(kāi)關(guān)過(guò)渡。

　　-設計分立器件與模塊時(shí)遇到的機械挑戰

　　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設計人員處理的更多機械接口。 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組件。 這些機械接口與系統的熱性能有密切聯(lián)系。在模塊解決方案中，大多數接口都包含到功率模塊結構中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統設計人員處理。 遵照 Fairchild 對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實(shí)現卓越的熱性能和振動(dòng)性能。圖 5 顯示眾多通過(guò)安裝模塊滿(mǎn)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展產(chǎn)品的功率容量[6]。

　　圖 5 眾多擴展模塊功率范圍的模塊-散熱器-PCB 方法中的一個(gè)

　　-設計分立模塊時(shí)影響可靠性的熱挑戰

　　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)化機械接口設計可獲得極好的熱性能。 為了舉例說(shuō)明，圖 6 顯示 Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個(gè) MOSFET 的結至殼以及典型結至散熱片瞬態(tài)熱阻[7]。 結至散熱片的熱阻假設為采用 30 微米膠層厚度，系數為 2.1 W/(m-K) 的導熱材料。

　　圖 6 FTCO3V455A1 APM 瞬態(tài)熱阻

　　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)變頻器可采用極高功率密度的封裝。 APM 的尺寸修剪為 29 mm x 44 mm x 5 mm，可構成約 400 mL 總容量的極緊湊變頻組件，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(xiàn)應力[8]。

　　總結

　　將幾十年的線(xiàn)路驅動(dòng)交流電機替代為變頻驅動(dòng)的高效電機是一個(gè)節能的、對環(huán)境負責的趨勢，由功率半導體器件和現代機器控制技術(shù)實(shí)現。采用模塊的低成本解決方案順應需要和挑戰，滿(mǎn)足環(huán)保、法規和客戶(hù)需求。汽車(chē)和商用/工業(yè)電機行業(yè)都在尋求替代能源并創(chuàng )建更高效系統，從而減少傳統能耗并降低 CO2排放率。

　　引用文獻、注釋和參考文件

　　[1] OICA 代表“Organisation Internationale des Constructeurs d'Automobiles(世界汽車(chē)工業(yè)國際協(xié)會(huì ))”或“International Organization of Motor Vehicle Manufacturers(世界汽車(chē)工業(yè)國際協(xié)會(huì ))”

　　[2] 來(lái)源： IEA 世界能源展望。根據能源部 (DOE)，包括電機如泵、傳送機、壓縮機、風(fēng)扇、混合器、研磨機和其他材料處理和加工設備在內的美國制造行業(yè)消耗總電力的大約 54%。

　　[3] 替代燃料包括氫、生物燃料、乙醇、電氣和天然氣。

　　[4] 來(lái)自風(fēng)力、太陽(yáng)能、地熱能等的替代能源...

　　[5] 影響電機效率的工作條件： 電源電壓、轉速、負載轉矩和溫度

　　[6] 擴展功率模塊的功率范圍： http://blog.fairchildsemi.com/2014/attach-heatsink-spm-5-package/#.VGBak_nF-So

　　[7] 了解更多有關(guān)應用FTCO3V455A1 3 相逆變器汽車(chē)電源模塊 (APM) 的信息 https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4160.pdf

　　[8] 不同電機控制應用需要不同智能電源模塊 (SPM®) 解決方案。提供您的技術(shù)規格并嘗試不同的 SPM® 部件編號，即刻查看損耗結果。接受正弦 PWM、空間矢量 PWM 和四種非連續 PWM 方法。https://www.fairchildsemi.com/design/design-tools/motion-control-design-tool/