BLDC電機的使用量正在持續(xù)增長。作為主要市場驅(qū)動力之一，工業(yè)類電機應(yīng)用節(jié)能指令也已提出新要求。
根據(jù)相關(guān)政策，歐盟計劃到2035年實現(xiàn)2000億美元的能耗節(jié)省，要求自2025年開始家電設(shè)備待機能耗需要低于300mW，其中洗碗機必須增加30%的效率。
印度市場則因氣候炎熱和人口眾多，需要大量使用吊扇，而目前使用的多為低效的單相感應(yīng)電機。為了實現(xiàn)50%的能效提升，印度政府正致力于提高能效，計劃將老式風(fēng)扇更換為BLDC電機驅(qū)動的風(fēng)扇。
BLDC電機的優(yōu)勢不僅在于能效，還包括靜音效果、精確控制和減少設(shè)備宕機時間。例如，在暖通空調(diào)應(yīng)用中，BLDC電機能夠?qū)崿F(xiàn)氣流的精確控制，提升用戶體驗。同時，通過預(yù)測電機壽命，提前更換電機，可以顯著減少設(shè)備宕機時間。
BridgeSwitch™-2 IC是PI近期推出的第二代BLDC電機驅(qū)動IC產(chǎn)品。相較于第一代，該產(chǎn)品功率輸出大幅提升，能夠滿足1馬力單相或三相電機的應(yīng)用需求。其次，待機功耗顯著降低，提高了能源利用效率。此外，產(chǎn)品還引入了可預(yù)測性系統(tǒng)維護功能，能夠準確判斷電機損耗情況，提醒用戶及時更換，延長了整機設(shè)備的使用壽命。
圖1 BridgeSwitch™-2 IC應(yīng)用場景
在性價比方面，新產(chǎn)品通過半橋集成和PCB板散熱設(shè)計，減少了傳統(tǒng)散熱片的需求，降低了成本。同時，采用IPH內(nèi)部電流檢測技術(shù)，不僅提升了效率，還減少了外圍元件的數(shù)量，進一步節(jié)省了成本。
提升電機效率與散熱設(shè)計優(yōu)化
在電機控制系統(tǒng)中，效率是至關(guān)重要的一環(huán)。PI針對功率開關(guān)管的特性進行了優(yōu)化，特別是功率開關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)特性進行了優(yōu)化，適合電機類感性負載的應(yīng)用，實現(xiàn)了電機在高效率下運行的同時，也優(yōu)化了EMI表現(xiàn)。在高功率應(yīng)用中，即使是微小的效率提升，也能顯著降低功率器件IC的溫升，減輕散熱壓力。
在電機正常運轉(zhuǎn)期間，這些產(chǎn)品內(nèi)部集成的高壓FREDFET開關(guān)管，可以確保滿足高壓BLDC電機的使用需求，通常這類高壓BLDC電機的母線電壓為320V的直流高壓。逆變器由三個半橋電路構(gòu)成，由輔助供電電源提供15V驅(qū)動電壓和3.3V給MCU供電，以執(zhí)行FOC無感控制運算。這種設(shè)計實現(xiàn)了高達99%的變換效率，對于750W的系統(tǒng)，損耗僅為7.5W，顯著提升了系統(tǒng)性能。
此外，電機控制方案支持各種電機控制算法，包括BLDC電機控制，通過MCU實現(xiàn)精確的電機控制，包括轉(zhuǎn)速、噪音及波形等參數(shù)的優(yōu)化。這不僅提升了電機的性能，也為終端客戶提供了更靈活的研發(fā)空間。
為了簡化散熱設(shè)計，PI還推出了新的功率器件封裝技術(shù)。對于小功率應(yīng)用，沿用了緊湊型設(shè)計的InSOP-24C封裝，通過回流焊方式實現(xiàn)PCB板上的散熱。對于如500W和750W系列的大功率輸出應(yīng)用，則推出了適用于高功率電機應(yīng)用的InSOP-L38封裝，其更大的體積和更低的熱阻，使之能夠處理更高的輸出功率。
BridgeSwitch™-2 IC采用了集成半橋(HB)架構(gòu)。通過每個半橋單獨的封裝進行散熱，這種布局增加了與PCB板的接觸面積，從而減少了對外加散熱片的依賴。相比傳統(tǒng)的IPM模塊，該方案顯著降低了IC溫度，最高可降低30°C以上，且散熱效果更佳，更適合將逆變器驅(qū)動板內(nèi)置于電機外殼中。
內(nèi)置電流檢測功能與睡眠模式優(yōu)化
電機系統(tǒng)由電機驅(qū)動器和逆變器構(gòu)成，其中逆變器采用三個橋接器件，并通過軟件(MCU)實現(xiàn)閉環(huán)的開關(guān)控制。在電機控制中，電流檢測是不可或缺的環(huán)節(jié)。PI采用內(nèi)置電流檢測(IPH)技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的外部電流檢測電阻，顯著降低了逆變器損耗10%以上，同時改善了溫升表現(xiàn)。
IPH技術(shù)不僅提高了電流檢測的準確性，避免了噪聲干擾，還產(chǎn)生了更理想的正弦波電流，從而降低了諧波成分，提高了系統(tǒng)效率，并減少了噪音。與傳統(tǒng)的分流器檢測方式相比，IPH技術(shù)不僅節(jié)省了成本，還顯著提升了波形質(zhì)量。
更重要的是，通過精確檢測相電流，可以準確預(yù)估電機的壽命。隨著電機使用時間的增加，磨損和摩擦?xí)䦟?dǎo)致電流波形畸變。通過監(jiān)測這些變化，可以提前預(yù)知電機的磨損程度，并在電機即將失效前進行維護，從而顯著縮短設(shè)備停機時間，提高用戶體驗。據(jù)測試顯示，使用IPH技術(shù)的預(yù)測準確度高達92.5%，而傳統(tǒng)方法僅為55%。
與第一代產(chǎn)品相比，第二代產(chǎn)品將驅(qū)動電壓調(diào)整為15V，以兼容常見的IPM模塊供電電壓。同時，這代產(chǎn)品引入了睡眠模式功能，以進一步降低待機功耗。舉例來說，當設(shè)備在30秒或三分鐘內(nèi)不工作時，MCU會檢測并指令輔助供電電源降低輸出電壓至6V。此時，逆變器通過自供電方式繼續(xù)操作，MCU則發(fā)出睡眠指令使構(gòu)成逆變器的功率器件進入睡眠模式。
在睡眠模式下，系統(tǒng)功耗顯著降低至小于10mW，遠低于ERP標準要求的300mW。這一優(yōu)化不僅滿足了嚴格的功耗要求，還為用戶提供了更好的待機體驗，允許在待機模式下實現(xiàn)更多待機功能。
電機系統(tǒng)軟件開發(fā)解決方案
電機系統(tǒng)的開發(fā)不僅涉及硬件，軟件同樣至關(guān)重要。為簡化開發(fā)過程，PI提供了一套完整的軟硬件搭配解決方案，包括逆變器的IC和MotorXpert電機調(diào)試軟件。
圖2 總體的逆變器設(shè)計解決方案
該軟件具有圖形用戶界面，允許用戶手動輸入?yún)?shù)以觀察電機的旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)，包括效率、噪音和電流波形等。通過接口板與逆變器連接，實現(xiàn)雙向故障傳輸，確保用戶能實時了解系統(tǒng)狀態(tài)。軟件通過PWM控制信號調(diào)節(jié)半橋電路，并利用IPH電流反饋進行檢測，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。
MotorXpert軟件功能強大，支持單相或三相電機的啟動、停止和實時參數(shù)調(diào)整。用戶無需停機即可改變電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)電機不同工作狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。軟件還提供可視化信息，包括故障顯示和電機實時參數(shù)監(jiān)控以及數(shù)字示波器功能，實時顯示電流波形。
整個軟件設(shè)計易于使用，無需編程知識，用戶可直接通過圖形界面設(shè)定參數(shù)。調(diào)試完成后，軟件程序代碼可拷貝至MCU進行批量生產(chǎn)。
需要注意的是，該解決方案只支持功能相對來講比較高級的BLDC應(yīng)用，而內(nèi)部集成的高壓FREDFET功率開關(guān)管，使其更適合于高壓的BLDC電機應(yīng)用。對于設(shè)備功能比較簡單的僅有電機運轉(zhuǎn)的低端應(yīng)用，一些廠商可能選擇將開關(guān)與控制軟件集成到一個封裝中，但對于高端產(chǎn)品或大型家電市場，仍需依賴MCU來實現(xiàn)復(fù)雜的功能控制，這也是BridgeSwitch的主要應(yīng)用范疇。
圖3 BridgeSwitch™-2 IC應(yīng)用場景
BridgeSwitch™-2和MotorXpert的完美搭配非常適用于高達1馬力功率的電機應(yīng)用，如冰箱壓縮機、暖通空調(diào)、洗碗機、油煙機熱泵、循環(huán)泵、吊扇、滾筒洗衣機、研磨機、攪拌機等。目前，PI可接受6月底前的量產(chǎn)訂單。InSOP-28C封裝將于2024年第二季度末入市。 |
