提高电机驱动系统能效的工业电机控制系统方案

电机在现代生活中无处不在，从气候控制、电器和商业制冷到汽车、工厂和基础设施。根据国际能源署(International Energy Agency)的数据，电机占全球总电力消耗的45％，因此电机驱动电子产品的可靠性和能效会对世界各地及各种应用的舒适性、便利性和环境产生影响。

一种提高电机驱动系统能效的方法是，用变速驱动器代替在50 / 60 Hz交流线路电压下驱动的单速电机，从而实现电机的电子速度控制和更高的驱动能效。与开/关调节方法相比，变速控制还可以提供应用层面的高能效。

先进的电机驱动系统的核心是逆变器级，它接收输入的直流电并将其转换成交流电压，频率以所需的速度驱动电机。逆变器含三个半桥，如图2所示。逆变器的每个半桥相都有一个高边和低边开关，视乎应用需求，可以是硅功率MOSFET，IGBT，碳化硅（SiC）FET或氮化镓(GaN) 高电子迁移率晶体管(HEMT)。

图2：3相逆变器

例如，转动泵或风扇，输送电机或机械臂的要求是不同的，工业应用将利用不同的电机技术来适应每种情况：交流电机，有刷或无刷直流，永磁同步电机(PMSM)或开关磁阻为例。

无论应用和技术的范围有多广泛，如果我们探讨工厂环境，驱动系统始终需要满足以下基本的共同要求：

● 高能效和可靠性

● 安全可靠性和集成度

● 耐用和出色的热性能

开发满足所有这些要求的高效可靠的电机驱动器复杂且耗时，但是借助安森美半导体的新的电机开发套件(MDK)，使这变得简单。这综合原型平台包括通用控制器板（UCB），它连接到扩展的电源板选件以创建一个快速启动平台来运行您的电机，从而在设计任何硬件之前对系统进行快速测试、评估和优化。

图4：图形用户接口(GUI)

UCB采用功能强大的赛灵思(Xilinx)公司的Zynq®-7000现场可编程门阵列(FPGA) / ARM 系统单芯片(SoC)，适用于高端控制和基于人工智能(AI)的应用。 UCB与Xilinx开发工具和库完全兼容，并与Trenz Electronic合作开发。

这些电源板含安森美半导体的领先功率器件和模块，及我们广泛产品阵容中的所有其他必要元器件，以开发完整的电机驱动器方案。

首两款电源板采用我们的智能功率模块（IPM），适用于工业和家用电器电机驱动应用。 IPM集成用于逆变器的六个功率开关、门极驱动器和一个热电偶，其保护功能包括过压/欠压锁定，防击穿和过流跳闸。

紧凑的IPM电源板（SECO-1KW-MCTRL-GEVK）提供了从市电的交流输入到电动机的交流输出的完整方案。额定输入电压为230 Vac，它包括一个EMC滤波器和桥式整流器、交错式两通道功率因数校正(PFC)和NFAQ1060L36T IPM作为逆变器级，以及辅助电源、测量和保护。

图5：1 kW板

对于更高的功率水平，SECO-4KW-65SPM31-GEVB电源板采用NFAM5065L4B 650 V智能电源模块。它的额定输入电压为400 VDC，可以提供高达1 kW的连续功率，并可以在短时间内或通过添加散热器提供高达4 kW的功率。该产品非常适合工业驱动和商业暖通空调和制冷(HVACR)应用。

图6：4 kW板

即将推出的是含我们同类最佳的MOSFET阵容的一系列电源板。这些电机驱动板将支持10 V至100 V的输入电压，功率能力高达1.2 kW，可满足电池供电的和中低电压应用，如电动工具、机器人、自动机器人和无人机。

图7：MOSFET板展示

我们还开发了更多电源板，突出我们广泛的IPM阵容及新模块针对更高功率的电机驱动应用。模块化设计还让我们能够采用一系列PFC方案，从而能够自由组合和匹配功率转换级，以根据您的要求进行优化。

安森美半导体的新的电机开发套件（MDK）含一个通用控制平台的通用控制器板（UCB），和一系列不断扩展的电源板，以快速测试和评估全面的电机驱动方案。

基于紧凑的IPM的1 kW 600 V板和基于SPM31的4 kW 650 V板都将在2020年第四季度推出。还有一个基于安森美半导体TMPIM技术的电源板将于2021年第一季度发布，以驱动高达10 kW的电机。安森美半导体将把更多电源板和扩展的设计支持添加到MDK生态系统中。
编辑：hfy