用于控制變速電動(dòng)機的功率模塊

　　改善洗衣機、電冰箱以及空調等家用電器能源使用效率的需求正在增加。從傳統的固定轉速馬達轉換到變速馬達可以節省能耗30%之多。但這種設計的難度較大，雖已經(jīng)出現了幾種方案來(lái)降低此類(lèi)項目的數字設計工作難度，但是設計人員仍需要集成模塊和相關(guān)的設計工具來(lái)促進(jìn)功率級的設計。

　　為了使低成本變速馬達控制器成為可能，元器件供應商設法通過(guò)簡(jiǎn)化設計和降低結構復雜度來(lái)減少變速控制器的成本。例如，已經(jīng)出現了幾種數字信號控制平臺，它們結合了DSP和集成PWM和馬達控制外圍設備的RISC處理器。這些平臺可運行第三方或者自行開(kāi)發(fā)的馬達控制算法。

　　同時(shí)，也存在其他的解決方案，可直接用硬件實(shí)現馬達控制算法，這樣能消除軟件開(kāi)發(fā)和集成難題，也加速了算法的執行速度，進(jìn)而增強了對轉矩和速度的控制。

　　無(wú)論傾向于哪種方案，數字控制的難題現在都可以很快地解決掉。但是，還存在設計和集成功率級的障礙。設計一個(gè)合適的逆變器、門(mén)驅動(dòng)電路以及相關(guān)的保護電路需要豐富的功率電子設計經(jīng)驗。

　　集成功率模塊

　　集成功率模塊（IPM）將前面提到的所有元件組合到一個(gè)單元中，減少了設計時(shí)間并帶來(lái)附加好處，包括元件數量的減少和可靠性的增加。

　　IPM吸收了許多工程成果，這些成果都與動(dòng)作控制應用中采用的復雜功率系統設計相關(guān)。例如，門(mén)阻抗針對較低的EMI噪聲和功率損失進(jìn)行了預優(yōu)化，并集成了陰極負載二極管和電阻來(lái)驅動(dòng)高壓側IGBT。

　　通過(guò)最小化寄生效應導致的損耗并最大化熱性能，內置過(guò)電流保護和高溫保護，驅動(dòng)布局的難題也得到了處理。工程師只需要為應用選擇合適的IPM即可。

　　不過(guò)，這些工作也是十分艱巨的。IPM在系統中的性能取決于許多與應用有關(guān)的參數，比如開(kāi)關(guān)頻率、調變指數以及模塊外殼溫度。數據單提供了一些指導，但是通常是對標準工作情況而言。設計人員需要額外的幫助來(lái)預測其在特定應用中的性能。

　　為了選擇合適的IPM，工程師從應用的相關(guān)信息出發(fā)。例如，考慮一個(gè)均方根相電流為3A，開(kāi)關(guān)頻率為16kHz下工作的洗衣機控制器，其總線(xiàn)電壓是直流320V。如果希望增強的可靠性成為最終產(chǎn)品的賣(mài)點(diǎn)，那么可以將指定的最大結溫度設定為遠低于模塊供應商所推薦的限制溫度，比如125℃。

　　額定電流，散熱電阻

　　IPM有許多的額定電流可選擇，且可能有多個(gè)選擇適用于這個(gè)應用。不過(guò)，因為每個(gè)模塊在給定的工作條件下有不同的功率損耗，用來(lái)保持結溫度不超過(guò)125℃所需的散熱電阻也會(huì )不同。計算所需的散熱電阻（Rth）需要運用與IPM熱學(xué)和電學(xué)特性有關(guān)的復雜知識，來(lái)確定傳導和開(kāi)關(guān)損耗，并基于這些數據預測結溫度。

　　盡管對穩態(tài)情況建模相對簡(jiǎn)單，但實(shí)際的功率損耗卻并不是常量。在工作中，結溫度會(huì )波動(dòng)到穩態(tài)平均以外，因為功率損耗會(huì )以與逆變器調制頻率相等的基頻變化。

　　另一個(gè)重要的方面是相互加熱，因為IPM內部的多個(gè)熱源共享從外殼到環(huán)境的通道。如果希望IPM的模型精確，這個(gè)效應必須考慮進(jìn)去。

　　建模工具

　　IPM功率模塊的詳細模型在確認和選擇合適的模塊時(shí)有重要的作用。模塊供應商通常提供定制的工具，用來(lái)分析現有模塊的電氣和熱學(xué)模型。

　　這些工具可以用來(lái)生成一系列性能曲線(xiàn)，以描述IPM在用戶(hù)輸入情況下的行為。通常，這些工具允許用戶(hù)更改開(kāi)關(guān)頻率、功率因數以及調變指數等參數來(lái)獲得指定應用條件下的性能曲線(xiàn)。

　　這些工具通常允許用戶(hù)生成有用的信息來(lái)簡(jiǎn)化IPM的選擇。進(jìn)行功率損耗分析，用于生成功率損耗與開(kāi)關(guān)頻率的曲線(xiàn)；進(jìn)行元器件對比，用于生成功率損耗和外殼溫度的曲線(xiàn)以供選擇散熱電阻之用。