更節省能源的新型、高效電機架構與解決方案

電機的應用相當廣泛，可用于各種小型家用電器、工業制造和重型應用等，電機的多功能性使它們幾乎可以用于各種用途。不過，由于電機所消耗的電力約占全球電力消耗的一半，且仍在呈不斷上升的趨勢。如今隨著減少碳排放的要求力度不斷加大，因此，通過實施新穎的控制算法、利用新型的、更高效的電機架構，以及結合現代半導體技術來提高效率變得越來越重要。本文將為您介紹電機的應用與市場，以及由安森美（onsemi）推出的相關解決方案。

變頻驅動器具有更優的電機驅動效率

電機的應用范圍從小型應用到重型應用，尤其是在工業應用中，工業電機驅動可說是當代全球工業的支柱，電機所消耗的電力幾乎占所有工業應用中消耗的能源的三分之二。工業驅動可應用于眾多任務業領域，包括流程自動化、風扇控制、液體和氣體泵、機器人、物料搬運、機床、石油和天然氣工業等。隨著法規變得越來越嚴格，工業驅動追求大幅節能的必要性，變得越來越重要。其中的交流電機通常可以直接由交流電源驅動。然而，為了提高效率和卓越的控制，需要實施變頻驅動（VFD）。

其中，使用變頻驅動器（VFD）的工業驅動系統，比使用傳統氣閥控制的系統更高效。此外，在子系統中還需要使用的其他組件和技術，包括柵極驅動器、運算放大器、位置傳感器、溫度傳感器，以及其他用于控制和傳感的組件和技術，并通過使用現代半導體和新穎的電機架構，提高了電機驅動器的效率和使用壽命。

目前市面上三種最流行的電機類型是交流感應電機（ACIM）、永磁同步電機（PMSM）和無刷直流（BLDC）電機。另一方面，步進電機和伺服系統可用于精確定位和受控運動，廣泛用于需要固定和定位的應用中。它們可用于為機器人手臂、裝配線、升降輔助設備和其他類似應用提供動力，這些控制系統的特點是高精度和高重復性。

高效率的單相和三相交流電機解決方案

以安森美推薦的單相和三相交流電機解決方案為例，其電機驅動架構中的電網供電電機控制電路的總體架構由整流器、電源、傳感、控制硬件和功率級等組成。整流器級負責將交流電（AC）轉換為直流電（DC），這可以使用簡單的二極管電橋來實現，但為了提高系統的效率和功率因數（從而降低無功功率），可以使用功率因數校正級。可選的DC-DC級用于將直流電壓轉換為電機所需的電壓。輔助電源將交流輸入或直流總線轉換為不同的低電壓，以供應控制硬件（MCU、存儲器、接口等）以及柵極驅動器。

制動電路用于在減速期間耗散能量，當電機與電源斷開時，它開始充當發電機。動態制動利用與功率開關（通常是IGBT）串聯的制動電阻來消耗電機的功率。逆變器由將功率傳輸到電機的功率開關組成，根據功率級別，它們可以是Si MOSFET、IGBT或碳化硅（SiC）MOSFET。它們可以是分立的，采用電源模塊或具有集成柵極驅動器的模塊形式。

為了進行精確的電子換向，需要確定轉子的位置。傳統上，這是通過利用霍爾傳感器來實現的。更新穎的解決方案使用光學或電感傳感器，而一些解決方案則跳過傳感器并測量反電動勢。當需要知道轉子的準確位置時，NCS32100等電感式位置傳感器在啟動期間特別有用。位置有可能在停機期間發生改變，因此系統無法依賴最后的已知狀態。

安森美的NCS32100電感式傳感器可用于計算位置和速度，其采用絕對編碼器，無需移動即可確定其位置，支持6,000 RPM全精度（45,000最大RPM），以及±50角秒（0.0138度）或38毫米傳感器的更高精度，并可以區分并抑制旋轉運動產生的振動，集成CortexM0+ MCU，具有高度可配置性，是適用于各種光學編碼器的更便宜替代品。

可提高電源轉換效率的完整產品線

功率因數校正（PFC）級是一個AC/DC轉換器，其目標是調整輸入電流以匹配輸入電壓的形狀，這減少了諧波并提高了效率。安森美的功率因數控制器NCP1681是一款無橋圖騰（Totem）多模式PFC控制器，具有恒定導通時間CrM和谷值開關頻率折返的固定頻率CCM（恒定導通模式），以及專有的電流檢測方案、專有的谷感方案，擁有高功率的理想選擇，支持高達1kW的多模式應用，CCM >2.5kW，采用SOIC-20封裝。

安森美還推出多款逆變開關及解決方案，電機控制系統可以使用分立組件（IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、二極管、柵極驅動器等）或集成多個部件的功率模塊來設計。這些模塊可以在一個封裝中集成三相半橋、單半橋，甚至包括制動器、PFC或柵極驅動器。功率模塊可分為功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM），與分立解決方案相比，模塊的使用具有許多優勢，由于模塊集成了電源組件以及保護功能（例如UVLO、短路保護、熱傳感等），因此它們減少了所需的空間，并且由于經過全面測試而更加可靠。

IGBT是高壓應用的最佳選擇，因為與Si MOSFET 相比，它們在同等材料厚度下可提供更高的阻斷電壓，IGBT開關是具有成本效益的主流解決方案。安森美新系列的1200 V Trench Field Stop VII IGBT，適用于電機控制應用的低VCE(SAT)類型，增加可處理的功率并減少因熱量產生的功率損耗，從而改善冷卻，改進了高頻操作的寄生電容，堅固耐用，1200V Gen7二極管可實現低 VF和柔軟度，較低的壓降可降低傳導損耗，柔軟度是指二極管的反向恢復，反向恢復越軟，噪聲和電磁干擾（EMI）問題就越少。

另一款IGBT FGY100T120RWD是FS7系列的1200V、100A IGBT，集成了Gen7二極管，VCE(SAT) = 1.4V，Tjmax = 175℃，支持正溫度系數，易于并聯運行，具有低傳導損耗和優化的電機控制應用開關。

SiC MOSFET則可為需要高電壓和高頻的應用提供最佳性能，具有較高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較高的導熱率。安森美的EliteSiC MOSFET的擊穿電壓范圍為650V至1700V，由于采用特殊的平面設計，所有EliteSiC SiC MOSFET系列在整個生命周期內都不會出現RDS(ON)、VTH或二極管正向電壓漂移。

安森美的SiC MOSFET NTH4L014N120M3P是一款來自新型1200V M3P系列的EliteSiC MOSFET，ID = 152 A，采用TO-247-4L封裝，具有低開關損耗，典型的EON為1308 μJ（74 A、800 V），RDS(ON)=14 mΩ @VGS=18 V，超低柵極電荷為(QG(TOT))=137 nC，具有高速開關、低電容（COSS=146 pF）的特性。

另一款SiC MOSFET NTH4L023N065M3S是來自新型650V M3S系列的EliteSiC MOSFET，可改善開關損耗，并針對高溫操作進行了優化，RDS(ON)=22.6 mΩ @VGS=18 V，與超低柵極電荷(QG(TOT))=87 nC，具有高速開關、低電容（COSS=153 pF）的特性，采用TO-247-4L封裝。

高度集成的智能功率模塊與功率集成模塊

智能功率模塊（IPM）是目前集成度最高的功率開關，該開關可以是IGBT或Si MOSFET。它是電機控制應用的熱門選擇，因為它能夠在單個封裝中包含整個逆變器和PFC級，其他優點包括EMI改進、空間優化和更簡單的熱設計。

安森美的智能功率模塊NFCS1060L3TT是一款將PFC和逆變器完全集成在一個封裝中的產品，包括PFC SJ MOSFET、六個驅動IGBT，支持600V、10A，內置過流和跨導保護，內置自舉二極管和NTC，可減小PFC電感器尺寸，簡化的散熱器設計，降低電磁干擾。

另一款智能功率模塊NFAM3065L4B可用于ACIM/BLDC/PMSM的高性能輸出級，集成高側和低側柵極驅動器、六個IGBT，支持650V、30A，內置過流和低電壓保護、熱監控和溫度傳感器，可降低EMI和損耗。

安森美還提供采用SiC MOSFET和IGBT技術的功率集成模塊（PIM），它們可以改進設計，并且可以在高達1200V的電壓下使用，由于其高電壓、高電流能力和較低的成本，IGBT器件仍然是主要選擇，SiC器件則可提供最佳性能和功率密度，并且正在迅速得到采用。PIM可以在一個封裝中包含半橋、全橋甚至整個三相逆變器，使用模塊大大減少了設計時間、冷卻尺寸并提高了整體集成度。

安森美的NXH800H120L7QDSG是一款額定電壓為1200V、800A的IGBT半橋功率模塊，采用PIM11（QD3）封裝，及全新Field Stop Trench 7 IGBT技術和Gen. 7二極管，可提供更低的傳導損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和卓越的可靠性，包含NTC熱敏電阻與低電感布局。

NXH006P120M3F2PTHG則是一款采用F2封裝的1200V SiC半橋模塊，采用M3 EliteSiC技術在VGS=18V、ID = 100A時提供典型RDS(ON) = 6 mΩ，包含熱敏電阻，采用HPD直接鍵合銅基板。

安森美還推出由PLECS提供支持的Elite電力模擬器，PLECS是一款系統級模擬器，可通過優化的器件模型促進完整系統的建模和仿真，以實現最大速度和精度。此外，安森美還提供業界首款自助式PLECS模型生成器，允許用戶創建可在Elite電力模擬器中使用的自定義模型。PLECS還提供一系列適用于工業電機控制的逆變器拓撲，包括半橋、全橋和三相逆變器。

另一方面，MOSFET和IGBT必須由柵極驅動器驅動，因為MCU或控制器無法直接驅動它們。柵極驅動器可以是單個半橋，驅動一個高側和一個低側開關，也可以包含三個半橋柵極驅動器，控制所有三個電機相位。安森美產品組合中的許多柵極驅動器支持外部負偏壓，其中使用外部電路為柵極驅動器提供負偏壓。新型NCP51752系列具有內部負偏壓，可節省系統成本，因為系統無需向柵極驅動器提供負偏壓軌。安森美還推出一系列的EliteSiC MOSFET產品組合和相應的隔離式柵極驅動器，可滿足客戶多方面的需求。

結語

隨著全球對于節能減排需求的提升，新型高效電機架構和解決方案成為了能源轉型中的關鍵環節。這些技術不僅提高了能源使用效率，降低了運營成本，更減少了對環境的影響。同時，通過智能控制、先進材料和創新的設計，這些電機實現了更靈活的運行和更穩定的性能。安森美可提供完整的電機驅動與控制解決方案，將是您開發相關應用的最佳合作伙伴。