提高電機驅動系統能效的工業電機控制系統方案

電機在現代生活中無處不在，從氣候控制、電器和商業制冷到汽車、工廠和基礎設施。根據國際能源署(International Energy Agency)的數據，電機占全球總電力消耗的45％，因此電機驅動電子產品的可靠性和能效會對世界各地及各種應用的舒適性、便利性和環境產生影響。

一種提高電機驅動系統能效的方法是，用變速驅動器代替在50 / 60 Hz交流線路電壓下驅動的單速電機，從而實現電機的電子速度控制和更高的驅動能效。與開/關調節方法相比，變速控制還可以提供應用層面的高能效。

先進的電機驅動系統的核心是逆變器級，它接收輸入的直流電并將其轉換成交流電壓，頻率以所需的速度驅動電機。逆變器含三個半橋，如圖2所示。逆變器的每個半橋相都有一個高邊和低邊開關，視乎應用需求，可以是硅功率MOSFET，IGBT，碳化硅（SiC）FET或氮化鎵(GaN) 高電子遷移率晶體管(HEMT)。

圖2：3相逆變器

例如，轉動泵或風扇，輸送電機或機械臂的要求是不同的，工業應用將利用不同的電機技術來適應每種情況：交流電機，有刷或無刷直流，永磁同步電機(PMSM)或開關磁阻為例。

無論應用和技術的范圍有多廣泛，如果我們探討工廠環境，驅動系統始終需要滿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

● 耐用和出色的熱性能

開發滿足所有這些要求的高效可靠的電機驅動器復雜且耗時，但是借助安森美半導體的新的電機開發套件(MDK)，使這變得簡單。這綜合原型平臺包括通用控制器板（UCB），它連接到擴展的電源板選件以創建一個快速啟動平臺來運行您的電機，從而在設計任何硬件之前對系統進行快速測試、評估和優化。

圖4：圖形用戶接口(GUI)

UCB采用功能強大的賽靈思(Xilinx)公司的Zynq?-7000現場可編程門陣列(FPGA) / ARM 系統單芯片(SoC)，適用于高端控制和基于人工智能(AI)的應用。 UCB與Xilinx開發工具和庫完全兼容，并與Trenz Electronic合作開發。

這些電源板含安森美半導體的領先功率器件和模塊，及我們廣泛產品陣容中的所有其他必要元器件，以開發完整的電機驅動器方案。

首兩款電源板采用我們的智能功率模塊（IPM），適用于工業和家用電器電機驅動應用。 IPM集成用于逆變器的六個功率開關、門極驅動器和一個熱電偶，其保護功能包括過壓/欠壓鎖定，防擊穿和過流跳閘。

緊湊的IPM電源板（SECO-1KW-MCTRL-GEVK）提供了從市電的交流輸入到電動機的交流輸出的完整方案。額定輸入電壓為230 Vac，它包括一個EMC濾波器和橋式整流器、交錯式兩通道功率因數校正(PFC)和NFAQ1060L36T IPM作為逆變器級，以及輔助電源、測量和保護。

圖5：1 kW板

對于更高的功率水平，SECO-4KW-65SPM31-GEVB電源板采用NFAM5065L4B 650 V智能電源模塊。它的額定輸入電壓為400 VDC，可以提供高達1 kW的連續功率，并可以在短時間內或通過添加散熱器提供高達4 kW的功率。該產品非常適合工業驅動和商業暖通空調和制冷(HVACR)應用。

圖6：4 kW板

即將推出的是含我們同類最佳的MOSFET陣容的一系列電源板。這些電機驅動板將支持10 V至100 V的輸入電壓，功率能力高達1.2 kW，可滿足電池供電的和中低電壓應用，如電動工具、機器人、自動機器人和無人機。

圖7：MOSFET板展示

我們還開發了更多電源板，突出我們廣泛的IPM陣容及新模塊針對更高功率的電機驅動應用。模塊化設計還讓我們能夠采用一系列PFC方案，從而能夠自由組合和匹配功率轉換級，以根據您的要求進行優化。

安森美半導體的新的電機開發套件（MDK）含一個通用控制平臺的通用控制器板（UCB），和一系列不斷擴展的電源板，以快速測試和評估全面的電機驅動方案。

基于緊湊的IPM的1 kW 600 V板和基于SPM31的4 kW 650 V板都將在2020年第四季度推出。還有一個基于安森美半導體TMPIM技術的電源板將于2021年第一季度發布，以驅動高達10 kW的電機。安森美半導體將把更多電源板和擴展的設計支持添加到MDK生態系統中。
編輯：hfy