直流無刷電機(jī)：驅(qū)動(dòng)器效率提高1%意味著什么？

傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的繞組換相是采用電刷來完成。這類電機(jī)的缺點(diǎn)是，第一，隨著時(shí)間的推移，電刷會(huì)產(chǎn)生磨損，而影響電機(jī)的使用壽命，或需要定期更換電刷。第二，電刷摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，降低電機(jī)換能效率。第三，電刷摩擦?xí)a(chǎn)生拉弧放電現(xiàn)象，而產(chǎn)生EMI（電磁干擾）問題。因此，有刷電機(jī)不適合用于速度較高的應(yīng)用場(chǎng)合，而且其缺點(diǎn)隨電機(jī)應(yīng)用功率的加大愈發(fā)明顯。越來越多的電機(jī)應(yīng)用會(huì)轉(zhuǎn)換到無刷直流電機(jī)（BLDC）。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我們?nèi)粘Ｉ钪邢牡哪芰恐杏?0%~60%，是被電機(jī)消耗掉的。在我們的家庭當(dāng)中，冰箱中的壓縮機(jī)，空調(diào)的室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)等，都是由電機(jī)帶動(dòng)。在工業(yè)中，任何旋轉(zhuǎn)、把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的地方，都需要使用電機(jī)。
傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的繞組換相是采用電刷來完成。這類電機(jī)的缺點(diǎn)是，第一，隨著時(shí)間的推移，電刷會(huì)產(chǎn)生磨損，而影響電機(jī)的使用壽命，或需要定期更換電刷。第二，電刷摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，降低電機(jī)換能效率。第三，電刷摩擦?xí)a(chǎn)生拉弧放電現(xiàn)象，而產(chǎn)生EMI（電磁干擾）問題。因此，有刷電機(jī)不適合用于速度較高的應(yīng)用場(chǎng)合，而且其缺點(diǎn)隨電機(jī)應(yīng)用功率的加大愈發(fā)明顯。越來越多的電機(jī)應(yīng)用會(huì)轉(zhuǎn)換到無刷直流電機(jī)（BLDC）。
無刷電機(jī)是靠開關(guān)管來換相（電子換相）。包括單相電機(jī)和三相電機(jī)。需要采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，從而改變電機(jī)繞組中的磁場(chǎng)方向。三相無刷直流電機(jī)包含三個(gè)繞組，可以采用星形或三角形連接。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)涉及三個(gè)橋臂電路，包含上管和下管，即橋式電路。
傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，通常采用IPM（集成功率模塊），即集成了功率開關(guān)的模塊來控制。其對(duì)于三相應(yīng)用集成了三個(gè)橋臂，即6個(gè)開關(guān)管。
日前，PI（Power Integrations）公司推出了一種新的驅(qū)動(dòng)器——BridgeSwitch。相比IPM模塊，它在一個(gè)器件中只集成了2個(gè)開關(guān)管，這樣做的原因（好處）是什么？另外，它的效率進(jìn)一步提高，這對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源來說，又有怎樣的好處？

PI公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光
效率提高1%=發(fā)熱降低33%=溫升顯著降低

PI公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光介紹說，BLDC包含眾多應(yīng)用，如工業(yè)用泵、電風(fēng)扇、“制冷型”家電（即冰箱、冰柜等帶壓縮機(jī)的家電）、“制濕型”家電（洗碗機(jī)、洗衣機(jī)等）和空調(diào)等。從下圖的IHS統(tǒng)計(jì)來看，從2018年到2023年，其復(fù)合年增長率將急劇增加。

交流電機(jī)頻率比較低，由于采用電刷進(jìn)行換向，其噪音比較明顯，而在家電應(yīng)用中講究用戶體驗(yàn)，希望噪聲低。BLDC很好地適應(yīng)了家電應(yīng)用中對(duì)于高效率、低噪音及高可控性的要求。根據(jù)不同的應(yīng)用，采用相應(yīng)種類的電機(jī)及算法可以極大地改善用戶體驗(yàn)，同時(shí)增加產(chǎn)品使用壽命，增加可靠性。
BLDC的驅(qū)動(dòng)器都由逆變器構(gòu)成，那么逆變器的效率改善會(huì)帶來哪些影響呢？

以輸入功率為260W的應(yīng)用來看，當(dāng)逆變器的效率是97%時(shí)，其功耗是7.8W，即逆變器中需要耗散的功率。若采用的是IPM模塊，則在很多情況下都會(huì)加一個(gè)散熱片來把這個(gè)熱量散掉，閻金光表示。若將逆變器的效率提高到98%，則需要逆變器耗散的功耗降低到5.2W，節(jié)省的功率為2.6W。雖然這個(gè)功率相對(duì)于輸入功率很小，但由于逆變器（IPM）封裝的尺寸非常小，通常內(nèi)部集成了六個(gè)開關(guān)器件，因而效率要做得很高，才能把封裝的溫度降下來（功耗會(huì)使溫升急劇增加）。1%的效率改善（對(duì)應(yīng)發(fā)熱降低33%），有可能使溫度由原來的100多℃降低到70~80℃。

在家電當(dāng)中有個(gè)重要指標(biāo)是TEC（總能耗）。它按電器在一年當(dāng)中消耗的功率來計(jì)算，包括待機(jī)功耗和使用功耗，二者依標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的計(jì)算公式，按照不同比例加權(quán)相加后，需滿足國際能效法規(guī)的要求。而包含電機(jī)的家電應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率直接對(duì)使用功耗產(chǎn)生影響。因而更高效率意味著更加易于滿足TEC要求。
此外，能效提高可以使舊有設(shè)備在滿足能效法規(guī)的情況下，多出的功率裕量可以用來給現(xiàn)有產(chǎn)品增加新的功能。例如，家用電器現(xiàn)在最火的概念是IoT，假如我們希望在下班的時(shí)候提前打開家里的空調(diào)，這需要通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。IoT產(chǎn)品通過IoT模塊（遠(yuǎn)程控制功能）來實(shí)現(xiàn)，它會(huì)不停地接收家里的WiFi信號(hào)，看是否有指令下發(fā)，因此會(huì)有一定的功率消耗。而前述節(jié)省下來的2.6W功率就足夠支持IoT模塊接收電路的工作，這樣就能在不影響總能耗指標(biāo)的情況下給現(xiàn)有產(chǎn)品增加新的功能，給用戶帶來更好的體驗(yàn)。
只集成2個(gè)開關(guān)管而不是6個(gè)？解決散熱和可靠性問題

BridgeSwitch在一個(gè)芯片當(dāng)中集成了一個(gè)半橋臂電路，即一個(gè)上管和一個(gè)下管，各自有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。如下圖所示，它適合于30~300W的BLDC逆變器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。BLDC包括高壓直流和低壓直流——在汽車產(chǎn)品中用的有24V，但在家電應(yīng)用中高壓用的卻比較多。高壓有什么好處？雖然高壓會(huì)帶來安全問題，但電壓越高，電流越小，進(jìn)而可以降低損耗（I2R）。因此若采用高壓直流電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的效率可以比低壓直流電機(jī)做得高一點(diǎn)。家電產(chǎn)品用的母線電壓通常都是300V左右，也就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的母線電壓。

它集成的FREDFET（快恢復(fù)外延型二極管場(chǎng)效應(yīng)管）規(guī)格是600V。這種開關(guān)管是專門針對(duì)電感性負(fù)載應(yīng)用而進(jìn)行了優(yōu)化，特別適合于電機(jī)類負(fù)載的電流換向應(yīng)用。
另外，它一個(gè)器件中集成的是2個(gè)開關(guān)器件，而傳統(tǒng)的IPM模塊是集成6個(gè)開關(guān)器件。6個(gè)開關(guān)器件集成在一個(gè)器件中，溫升會(huì)很高。將它們做到3個(gè)不同的器件上，則可以使溫升大幅下降，從而做到無需使用散熱片的設(shè)計(jì)?！霸诩译娫O(shè)計(jì)中，客戶最怕的就是安裝散熱片，因?yàn)樗婕暗娇煽啃詥栴}，如安裝一致性、運(yùn)輸當(dāng)中的振動(dòng)、跌落試驗(yàn)等均要求散熱片能夠保證散熱良好。如果你不需要散熱片，而僅靠pcb來散熱，就不需要擔(dān)心各種機(jī)械應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)散熱會(huì)產(chǎn)生影響。”閻金光表示。
高壓自供電有什么好處？傳統(tǒng)的IPM需要采用雙路電源——15V和5V，15V給驅(qū)動(dòng)器供電，5V給MCU供電。15V可以給下管驅(qū)動(dòng)器直接供電，上管還需要加一個(gè)自舉二極管。如果逆變器驅(qū)動(dòng)本身能夠?qū)崿F(xiàn)自供電的話，則可以簡(jiǎn)化輔助供電電源的設(shè)計(jì)——只需要單路輸出的電源給MCU供電即可，并可省去這個(gè)自舉二極管，帶來成本節(jié)省。
最后，它提供全面的保護(hù)和監(jiān)控特性，如過流、欠壓/過壓和過溫保護(hù)。傳統(tǒng)上，由于封裝很小，PIN腳數(shù)目受限，不可能把保護(hù)功能做得非常完善。那傳統(tǒng)電路怎么來做保護(hù)？傳統(tǒng)的保護(hù)（如過壓保護(hù)）由MCU通過軟件（增加MCU負(fù)擔(dān)）和外圍電路（增加成本）來完成。BridgeSwitch提供SM（系統(tǒng)監(jiān)測(cè)）引腳，可以用它來做很多保護(hù)組合，比如可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電壓監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)過溫監(jiān)測(cè)。而FAULT引腳可以把內(nèi)部的過溫故障、過流故障等發(fā)給MCU。由MCU最終決定是否采取動(dòng)作（比如降速運(yùn)行；當(dāng)然，過溫達(dá)到極限時(shí)仍會(huì)自行切斷），非常智能。
創(chuàng)新的BridgeSwitch驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

系統(tǒng)MCU提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)到三個(gè)BridgeSwitch驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的上管和下管。單線故障報(bào)告接口通過脈沖的方式報(bào)告故障，從而可節(jié)省引腳數(shù)。相電流大小可以通過相電流信息引腳上的電阻讀出。這在某些應(yīng)用當(dāng)中可以用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置（無感檢測(cè)，當(dāng)然需要與算法相配合）。ID引腳通過不同連接方式，可以在出現(xiàn)故障時(shí)告訴MCU，是哪個(gè)部位在匯報(bào)狀態(tài)。（另外，三相逆變器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，若其中有一個(gè)橋臂損壞，可以只更換這一個(gè)器件，而不用像IPM那樣需全部替換。）XH和XL這兩個(gè)電阻用來設(shè)定上管和下管的限流點(diǎn)。SM具有多種連接組合，進(jìn)而可組合來做多種保護(hù)——既可以連接到母線電壓來做過壓保護(hù)，也可以連接到溫敏電阻來做系統(tǒng)過溫保護(hù)，也可以連接三極管來做客戶自定義的檢測(cè)保護(hù)。

下面是BridgeSwitch和IPM實(shí)測(cè)溫升對(duì)比（風(fēng)扇應(yīng)用），118℃的情況下，PCB很可能耐受不住。使用IHB架構(gòu)的BridgeSwitch則可以將熱量均分至不同器件上，從而將器件溫升大幅降低。

此外，BridgeSwitch采用硬件方式實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)， 且上管和下管電流均進(jìn)行逐周期的限流。相對(duì)于傳統(tǒng)用軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)的方式，硬件實(shí)現(xiàn)的方法可以大大降低軟件的負(fù)擔(dān)，提高軟件的代碼執(zhí)行率，節(jié)省外圍檢測(cè)電路的成本。同時(shí)也可以極大簡(jiǎn)化軟件的認(rèn)證成本及認(rèn)證時(shí)間。