寬帶隙器件增強(qiáng)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

    電機(jī)控制系統(tǒng)由軟件和硬件組件組成，包括 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU，它們變得越來越復(fù)雜。
    電機(jī)控制在工業(yè)4.0的技術(shù)發(fā)展中扮演著重要的戰(zhàn)略角色。工業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題是能源使用。電力消耗正在顯著增長，部分原因是工業(yè)電動機(jī)的電力需求。由于這些不斷增長的需求，在電機(jī)控制領(lǐng)域?qū)ふ矣行У慕鉀Q方案成為開發(fā)商和組件制造商等的首要任務(wù)。
    隨著能源消耗的增加，由于涉及許多需要付出巨大努力的電子技術(shù)的嚴(yán)格控制要求，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也在增加。一個例子是使用寬帶隙 (WBG) 材料。
    從功能的角度來看，電機(jī)控制包含多個級別。例如，運(yùn)動控制需要執(zhí)行非常復(fù)雜和計(jì)算密集型的控制算法。電機(jī)控制涵蓋廣泛的應(yīng)用，從風(fēng)扇和泵的簡單控制到更復(fù)雜的工業(yè)控制問題，包括機(jī)器人和伺服機(jī)構(gòu)。在這里，我們來看看電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。
    電機(jī)和驅(qū)動器
    直流電機(jī)是常見的，因?yàn)樗鼈兏阋瞬⑶矣啥ㄗ樱ü潭ú糠郑从来朋w）和移動部分（轉(zhuǎn)子）組成，其中包含連接到提供電流的換向器的繞組。電機(jī)的調(diào)速是通過調(diào)節(jié)直流電來實(shí)現(xiàn)的。為此，根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)，可以使用全橋、半橋或降壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動直流電機(jī)。
    交流電機(jī)基本上由一個變壓器組成，初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導(dǎo)感應(yīng)的次級電流。基于微處理器的電子設(shè)備、逆變器和信號調(diào)節(jié)用于控制該電機(jī)的速度。
    控制器是一種電子設(shè)備，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個過程的數(shù)量而有所不同。對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機(jī)發(fā)送命令，同時接收來自執(zhí)行器本身的指令。

    工業(yè)應(yīng)用中使用的機(jī)器人系統(tǒng)主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機(jī)。例如，圖 1顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法。

    圖 1：交流供電的三相感應(yīng)電機(jī)控制框圖（：德州儀器）
    直流電機(jī)的控制器示例是 Trinamic 的TMCM-1637 5-A RMS 和TMCM-1638 7-A RMS 槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅(qū)動器，為磁場定向控制（或矢量）添加霍爾和 ABN 編碼器功能控制）。這些模塊支持單相直流電機(jī)、兩相雙極步進(jìn)電機(jī)和三相無刷直流 (BLDC) 電機(jī)（圖 2）。

    TMCM-163x 解決方案

    圖 2：TMCM-163x 解決方案（：Trinamic）
    IGBT
    絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現(xiàn)了電力控制電子領(lǐng)域的真正創(chuàng)新。作為開關(guān)解決方案，創(chuàng)新來自于高開關(guān)頻率。IGBT 代表電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問題。
    的解決方案在特別極端的使用條件下（例如在汽車領(lǐng)域使用逆變器驅(qū)動電動機(jī)時）在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系。一個例子是STMicroelectronics 的1,200-V IGBT S 系列。這些 IGBT 針對在低頻（ 8 kHz）下的使用進(jìn)行了優(yōu)化，并具有低 V ce(sat)的特點(diǎn)。1,200-V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵場截止技術(shù)。
    氮化鎵和碳化硅
    然而，WBG 材料、氮化鎵和碳化硅作為硅基器件的替代品正在電機(jī)控制應(yīng)用中取得進(jìn)展。在電力電子領(lǐng)域，WBG 材料提供的主要優(yōu)勢包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關(guān)頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅可達(dá)到的 150°C 上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。
    例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的較高電子遷移率轉(zhuǎn)化為更快的開關(guān)速度，因?yàn)橥ǔ７e聚在接頭中的電荷可以更快地分散。GaN可實(shí)現(xiàn)更快的上升時間、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，所有這些都有助于其低開關(guān)損耗和能夠以高達(dá) 10× 的開關(guān)頻率工作高于硅。
    減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統(tǒng)。許多電機(jī)控制應(yīng)用需要風(fēng)扇來提供強(qiáng)制風(fēng)冷，以便在設(shè)備的安全運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實(shí)現(xiàn)“無風(fēng)扇”操作，這在電子無人機(jī)等輕型應(yīng)用中尤為重要。
    在工業(yè)電源應(yīng)用中，電子設(shè)計(jì)師也可以通過使用 SiC MOSFET 獲得優(yōu)勢，與 IGBT 等傳統(tǒng)硅基解決方案相比，SiC MOSFET 可顯著提高效率、縮小散熱器尺寸并降低成本。SiC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常低的每單位面積 RDS (on)、高開關(guān)頻率，并且在體二極管關(guān)閉后發(fā)生的反向恢復(fù)階段的能量損失可以忽略不計(jì)。
    碳化硅器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用是一個真正的突破，這得益于節(jié)能、縮小尺寸、更高集成度和可靠性等特性。這些特性使它們非常適合汽車和工業(yè)自動化控制等高可靠性領(lǐng)域。
    在工業(yè)驅(qū)動中，必須特別注意開啟和關(guān)閉換向速度。事實(shí)上，SiC MOSFET 的 dV/dt 可以達(dá)到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當(dāng)，高換向 dV/dt 會增加長電機(jī)電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，這些電流會導(dǎo)致繞組絕緣和電機(jī)軸承出現(xiàn)故障。盡管更快的開啟/關(guān)閉提高了效率，但出于可靠性原因，工業(yè)驅(qū)動器中的典型 dV/dt 通常設(shè)置為 5 至 10 V/ns。

    STMicroelectronics 對兩個類似的 1.2 kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和硅基 IGBT）進(jìn)行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強(qiáng)加條件下（圖 3）。

    圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動器（：STMicroelectronics）
    由于節(jié)能、尺寸減小、集成機(jī)會和可靠性等特性，SiC 器件在一般電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用是一項(xiàng)真正的突破。在其他選項(xiàng)中，現(xiàn)在可以在連接電機(jī)的逆變器電路中使用開關(guān)頻率，這在電機(jī)設(shè)計(jì)中具有重要優(yōu)勢。
    例如，英飛凌科技基于 SiC 的CoolSiC MOSFET采用 .XT 互連技術(shù)，采用 1,200 V 優(yōu)化 D?PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅(qū)動器等功率密度關(guān)鍵的電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)被動冷卻，從而支持機(jī)器人和自動化行業(yè)在實(shí)施免維護(hù)和無風(fēng)扇電機(jī)逆變器方面（圖 4）。

    在自動化領(lǐng)域，無風(fēng)扇解決方案帶來了新的設(shè)計(jì)機(jī)會，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料方面的成本和精力。英飛凌采用 XT 互連技術(shù)的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的熱性能，使其非常適合在機(jī)械臂中集成驅(qū)動器，例如。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 ?s，額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ。這符合伺服電機(jī)的要求。

    圖 4：所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗降低（：Infineon Technologies）
    微控制器
    電機(jī)控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件部分是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件部分解決的是對硬件的控制，硬件變得越來越復(fù)雜和精密。針對功率設(shè)備的控制和管理而優(yōu)化的計(jì)算架構(gòu)的可用性使開發(fā)人員能夠獲得在控制領(lǐng)域原本不可能實(shí)現(xiàn)的性能。
    NXP Semiconductors 和 Renesas Electronics 有幾個例子。NXP 的MPC57xx系列 32 位處理器基于 Power Architecture 技術(shù)，適用于汽車和工業(yè)動力總成應(yīng)用以及其他汽車控制和功能管理可能性。這些處理器提供 AEC-Q100 質(zhì)量、用于防篡改的片上安全加密保護(hù)，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它們提供以太網(wǎng) (FEC)、雙通道 FlexRay 和高達(dá) 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C 的不同通信協(xié)議。
    瑞薩電子提供基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核的RA6T1 32 位 MCU，以 120 MHz 的頻率運(yùn)行，并提供一系列針對高性能和精密電機(jī)控制而優(yōu)化的外設(shè)。單個 RA6T1 MCU 多可同時控制兩個 BLDC 電機(jī)。此外，適用于 TinyML 應(yīng)用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強(qiáng)的故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且具有成本效益的無傳感器電機(jī)系統(tǒng)，用于預(yù)測性維護(hù)。
    電機(jī)要求因應(yīng)用而異，可能需要針對特定??用例進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)。市場提供了多種 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU 方面的解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發(fā)新的硬件來從處理器卸載實(shí)時關(guān)鍵任務(wù)，同時支持更多的診斷、預(yù)測性維護(hù)和人工智能以及功能安全系統(tǒng)。