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马达变频器内的关键元件: 功率半导体
[作者 Michael Ebli]   2021年04月20日 星期二 浏览人次: [6048]

全球有约 30% 的发电量用于驱动工业应用中的马达,而全球工业产业消耗的能源量预期到 2040 年将成长一倍。随着对能源成本和资源有限的意识不断提高,未来提升驱动马达用电效率的需求将会越来越显著。


电动马达型塑了世界的面貌,且将继续从各个层面改变世界,包括从可以自动执行简单家庭功能的小型马达,到名副其实能搬动整座山的重型马达都有。目前使用中的电动马达的数量和种类极其惊人,要知道电动马达及其控制系统几乎占了全球一半的耗电量,这可一点都不足为奇。


进一步细看,全球有约 30% 的发电量用于驱动工业应用中的马达 [1]。绝对而言,全球工业产业消耗的能源量预期到 2040 年将成长一倍。随着对能源成本和资源有限的意识不断提高,从环境和财务这两个方面来看,提升驱动马达用电效率的需求只会越来越显著。


低电压驱动器──需求和要求

从市场(标准型和精简型) 的低电压区隔来看,其应用可分为轻型或重型两种。以驱动器而言,其主要差异在于,诸如帮浦和风扇等应用于短暂的加速期间,轻型马达和控制系统的变频器输出电流通常必须维持在 110% 的超载(图 1)。重型马达和控制系统的设计,一般则需要能承受高达变频器额定电流150% 的过载。较高的过载电流大多是为了因应在其余事物中传送带加速阶段的需求。



图1 : 过载能力系指在110%(轻型/正常负载)至150%(重型负载)加速运作时电流高于额定值的期间。
图1 : 过载能力系指在110%(轻型/正常负载)至150%(重型负载)加速运作时电流高于额定值的期间。

适用于驱动器的 IGBT7

马达驱动系统有着独特的特定要求,需要采用全新的IGBT设计方法。采用正确的IGBT技术,才可能打造出符合这些需求的模组。因此英飞凌采用了最新一代 IGBT技术:IGBT7。 IGBT7在晶片层级使用了微图案沟槽(MPT),其结构明显有助于降低正向电压并提高漂移区的导电率。对于马达驱动器等有着适中切换频率的应用,IGBT7 与前几代产品相比,则能显著降低损耗 [2]。


IGBT7 比前一代产品(IGBT4)更出色的另一项优点则是飞轮二极体,同样针对驱动应用进行了最佳化。此外,射极控制二极体 EC7 的正向压降现在比EC4二极体的正向压降少了100 mV,反向恢复柔软度更为优异。


适用于伺服驱动器的 SiC MOSFET

随着各产业使用越来越多的自动化功能,对伺服马达的需求也相应提高。它们将精准的运动控制与高扭力相结合,非常适合用于自动化和机器人技术。


英飞凌凭借其在制造上的专业知识和长期以来的经验,开发了一种 SiC 沟槽技术,此技术比IGBT具有更高的效能,且相当耐用,例如短路时间仅有2 μs [3] 或什至3 μs [4]。英飞凌的CoolSiC? MOSFET同时也解决了SiC装置固有的一些潜在问题,例如非预期的电容导通。此外,SiC MOSFET采用符合产业标准的 TO247-3 封装,现在采用的 TO247-4 封装甚至具有更优异的开关效能。除了这些TO封装,SiC MOSFET也提供Easy 1B和Easy 2B封装。


对比于相应的IGBT替代选项,1200 V CoolSiC? MOSFET的开关损耗最高降低80%,且还有损耗不受温度影响的附加优势。不过,如同IGBT7,也可以透过闸极电阻控制开关行为(dv/dt),带来更出色的设计弹性。



图2 : SiC MOSFET可简化马达内的变频器整合 [5]
图2 : SiC MOSFET可简化马达内的变频器整合 [5]

因此,采用CoolSiC? MOSFET 技术的驱动解决方案由于恢复、导通、关断和导通损耗都更为降低,整体损耗可降低高达50%(假设 dv/dt类似)。尤其在轻负载状况下,CoolSiC? MOSFET 的传导损耗也比 IGBT 更低。


除了整体来说更高的效率和更低的损耗以外,SiC 技术还可以达到更高的开关频率,对动态控制环境中的外部和整合伺服驱动器都有直接的效益。而这全都是得益于,在马达负载不断变化的状况下,马达电流的回应速度更快所致。


全面整合

将整流器、斩波器和变频器整合到单一模组,能在功率密度和切换效率上发挥优势,但马达驱动器同时也需要封闭回路系统才能正确有效地发挥作用。


更具体而言,无论使用何种开关技术,都必须要有适当的闸极驱动器解决方案。要透过闸极驱动器,才能将用于打开和关闭开关装置的低电压控制讯号转换为开关本身所需要的高电压驱动讯号。一般来说,控制讯号将来自主机处理器。但由于每种开关技术在输入电容和驱动电位方面都有其独特的特性,因此必须将其与适当的闸极驱动器相匹配。英飞凌为 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供经过最佳化的闸极驱动器。


控制回路中最后一个但同等重要的元件是感测器,感测器也为马达和控制器之间提供部分的反馈,大多透过使用电流感测器来达成。英飞凌开发了一款霍尔效应解决方案,能免去使用铁磁集中器,让设计变得更简单且干扰更少,是全整合伺服马达的理想选择。


XENSIV?系列电流感测器(例如 TLI4971)为差分型的霍尔电流感测器,可提供高磁场范围和低偏移值。此外,这些装置没有磁滞现象,并具有良好的杂散场抗扰性。由于采用无核心概念,使其可达到小巧的尺寸,支援高整合度,加上具有超低功率损耗和功能性隔离,极其弹性可靠。


参考资料


[1] https://www.globalefficiencyintel.com/new-blog/2017/infographic-energy-industrial-motor-systems


[2]应用笔记“trenchstop?


[3] Datasheet FF45MR12W1M1_B11 Revision 2.2, 2020-03-27, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-FF45MR12W1M1_B11-DataSheet-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d46266f85d6301670c714a15315c


[4] Datasheet IMW120R030M1H Revision 2.1, 2019-12-10, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IMW120R030M1H-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=5546d46269e1c019016a92fde38b669a


[5] H. Weng,Et。


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