深度解析BridgeSwitch电机驱动器的解决方案

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

电动机市场正在经历每年所需单位数量的显着增长。所有通用电动机都将切换到无刷直流解决方案（BLDC），这代表了整个投资市场的很大一部分。而且，将已经有很多应用已经安装在船上或即将开始使用无刷直流电动机，例如制冷，洗碗机或洗衣机的压缩机泵或工业泵。这是一个增长强劲的市场（图1）。

图1：BLDC电机市场的演变[来源：Power Integrations]

电动机速度和方向的控制需要使用所使用的操作系统，以及取决于电动机类型和不同应用需求的不同技术和电路。电动机控制器的目的是能够手动或自动作用在电动机上（起停，超前反转，速度，扭转和防止电压过载的功能）。与传统电动机相比，BLDC电动机具有许多优势。

通常，它们可提供15％至20％的更高效率；由于它们无刷，并且在所有额定转速下均能提供平坦的扭矩曲线，因此所需维护较少。半导体技术的最新发展，永磁体的改进以及对更高效率的不断增长的需求已导致在许多应用中用BLDC代替有刷电机。BLDC电机可以具有单相，两相和三相配置；最常见的是三相一相。相数对应于定子上的绕组数，而转子磁极可以根据应用为任意对。

驱动程序是BLDC控制的基本元素。它是一种功率放大器，可产生电压输出，以驱动H桥电路的高电流高侧和低侧IGBT栅极。

“选择正确的电动机驱动器，三个参数非常重要：封装，流过电动机绕组的连续电流和热指标。”Power Integrations高级产品营销经理Cristian Ionescu-Catrina说。

为了满足巨大的未来需求，Power Integrations在Embedded World上展示了一种新的BridgeSwitch系列产品，用于功率高达400 W的BLDC发动机。这种高压半桥电机的效率为99.2％，不需要散热器，并减少了软件认证的时间和费用。

出色的效率与IHB驱动器的分布式散热结构相结合，降低了系统的重量和成本。集成的无损电流检测系统，总线电压检测电路和系统范围内的热检测电路，使该系列器件非常适合家用电器中使用的BLDC电机。

BridgeSwitch解决方案具有先进的高端和低端FREDFET（快速恢复二极管场效应晶体管）以及集成的无损电流检测功能。

FREDFET以半桥配置连接，其中的二极管结构（超软和超快速恢复）使其非常适合基于硬开关逆变器的电机驱动器。

BridgeSwitch IC中使用的FREDFET集成了快速，极其平滑的本征复位二极管（体二极管）。结果是大大减少了切换期间的损耗，并降低了产生的噪声水平，从而简化了整个系统的电磁兼容性。

新型400W BRD1167和BRD1267 BridgeSwitch IC提供高达1.33 A的连续RMS相电流和11.5 A的FREDFET直流输出电流。与BridgeSwitch系列的其他产品一样，它们都是自供电的，并采用InSOP-24C表面贴装封装。这些设备可以驱动单相或多相高压，同步或异步电动机，并支持所有流行的MCU和电动机控制算法。所有BridgeSwitch IC均具有过流，过压/欠压和过热保护，简化了IEC 60335和60730认证，节省了时间和成本。

“在空调风扇中，人们希望将逆变器PCB集成到电动机中。PCB的尺寸非常小。通常，对于这种类型的应用，客户开始使用外部散热器。我们可以排除散热器，并降低成本。对于大电流应用（例如空调外部设备，干燥风扇或冰箱压缩机），这一点变得更加明显。”克里斯蒂安·伊内斯库·卡特里娜说。

“热量集中的热量点在FREDFET中。”克里斯蒂安续说：“那个开关非常快，电流和电压都很高。在FREDFET的正下方，我们放置了两个裸露的焊盘。通过将这些裸露的焊盘连接到PCB，我们可以平均地散发热量。”

图2：BRD1167 / 1267的框图[来源：Power Integrations]

图3：典型的BridgeSwitch三相逆变器架构[来源：电源集成]

图4：单相应用[来源：电源集成]

每个BridgeSwitch器件都可以配置为具有不同的高端和低端电流限制，从而无需微控制器和外部电路来保护系统免受开路条件或电动机绕组短路的影响。

BridgeSwitch器件具有内部自供电功能，支持高达20 kHz的换向PWM频率。为确保逆变器启动时跨旁路低端（BPL）引脚电容器和旁路高端（BPH）引脚电容器的电源电压足够大，系统微控制器（MCU）应遵循建议的上电顺序在图5中。

图5：建议的具有自供电操作的上电顺序[来源：电源集成]

旁路低端引脚电容器CBPL，BPL引脚充电电流ICH1（LS）和旁路低端引脚电压VBPL确定了从时间点t1开始的充电时间tBPLC。系统MCU通过控制时间点t2和持续时间tINLS来导通和关断低侧功率FREDFET，来管理上电序列。

BRD116X器件通过与LS引脚串联的外部电流检测电阻器支持离散的低侧FREDFET电流检测，如图6所示。电压VSHUNT是电动机绕组电流IMOTOR的直接表示。电阻R1和R2设置外部放大器U1的增益。电阻R3，C1，C2和C3提供噪声过滤。电阻R4将直流偏移VOFFSET加到放大器U1的输出信号VOP（图6）。

图6：外部电流检测示例电路[来源：电源集成]

Power Integrations的新型400W BridgeSwitch解决方案将支持具有更高RMS电流和散热要求的应用。

编辑：hfy