電機在未來仍將廣泛使用。從小型家電到工業制造，再到重型機械，電機功能豐富，幾乎無所不在。電機約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機能效顯得愈發關鍵。為此就需要開發先進的控制算法，采用新型高效電機結構，并引入現代半導體技術。本文為工業電機驅動白皮書的第二部分，主要介紹方案概述等。

方案概述

頂層拓撲

下面的框圖代表了安森美(onsemi)推薦的單相和三相交流電機方案。

安森美方案包含了大多數功能塊器件， 如下面的器件表所示。

電機驅動架構

電網供電的電機控制電路總體架構由以下要素組成：整流器、 電源、 檢測、 控制硬件和功率級。

整流器級負責將交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC)。這可以利用簡單的二極管橋來實現， 但為了提高系統的能效和功率因數(從而降低無功功率) ， 可以使用功率因數校正級。可選的 DC-DC 級用于將直流電壓轉換為電機所需的電壓。輔助電源將交流輸入或直流母線轉換為不同的低電壓， 從而為控制硬件(MCU、 存儲器、 接口等) 和柵極驅動器供電。

制動回路用于在減速過程中耗散能量。與電源斷開連接時， 電機開始作為發電機運轉。動態制動利用與功率開關(通常是 IGBT) 串聯的制動電阻來耗散電機的功率。

逆變器由功率開關構成， 后者負責將功率傳輸至電機。根據功率水平需求， 可以利用 Si MOSFET、 IGBT 或碳化硅 (SiC)MOSFET， 將功率開關設計為分立式、 功率模塊式或集成柵極驅動器的模塊。

為了準確執行電子換向， 必須確定轉子的位置。傳統上， 這是利用霍爾傳感器實現的。更新穎的方案用到了光學或電感傳感器， 而有些方案則跳過傳感器， 直接測量反電動勢。電感式位置傳感器(如 NCS32100) 在啟動過程中尤其有用， 可以提供所需的轉子精確位置。在停機期間， 轉子位置可能會發生變化， 因此其最后已知狀態是不可靠的。

電感式檢測 NCS32100

? 計算位置和速度

? 絕對編碼器 - 無需移動即可確定位置

? 6,000 RPM 全精度(最大 45,000 RPM)

? 對于 38mm 傳感器，精度為 +/- 50 角秒(0.0138 度)或更高 - 參見圖 11

? 可以區分并抑制旋轉運動產生的振動

? 集成 CortexM0+ MCU – 高度可配置

? 為廣泛的光學編碼器提供成本更低的替代方案

圖 1：三相電機分立式控制和功率級功能塊原理圖示例

功率因數校正

功率因數校正 (PFC) 級是一個 AC-DC 轉換器， 用于整形輸入電流， 使之匹配輸入電壓的形狀。這樣做可減少諧波并提高能效。

PFC 級的實現方式通常是在整流橋和輸入電容之間插入升壓轉換器級。在單相應用中， 可以使用交錯式升壓(圖 2) 或圖騰柱 PFC。根據所使用的控制器和導通模式， 這些拓撲通常可用于高達 2 kW 的功率。

圖騰柱 PFC(圖 4) 用有源開關取代橋式二極管， 以減少損耗。圖騰柱 PFC 級由快橋臂和慢橋臂組成， 前者以 100kHz 或更高的頻率切換， 而后者以市電頻率切換。在快橋臂中， 寬禁帶半導體是理想選擇， 能夠支持更高的開關頻率，從而可以減小無源器件的尺寸。慢橋臂開關可以使用 IGBT。

對于三相高功率應用， Vienna 整流器、 有源前端或集成 PFC 的功率模塊是理想選擇。Vienna 整流器(圖 3) 能效高，但由于所需功率開關數量較多且控制更復雜， 所以成本較高。欲進一步了解 AC-DC 拓撲， 請參閱揭秘三相有源前端或功率因數校正 (PFC) 拓撲。

圖 2：單相雙通道交錯式升壓轉換器

圖 3：三相 Vienna 整流器

功率因數控制器 NCP1681

無橋圖騰柱多模式 PFC 控制器

? 固定頻率 CCM(恒定導通模式)，具有恒定導通時間CrM 和谷底開關頻率折返功能

? 專有電流檢測方案

? 專有谷底檢測方案

? 非常適合高功率：多模式應用，功率可高達 1kW，CCM >2.5kW

? SOIC-20 封裝

圖 4：圖騰柱 PFC 原理圖

逆變器開關和方案

電機控制系統可以采用分立器件(IGBT、 Si MOSFET、 SiC MOSFET、 二極管、 柵極驅動器等) 或集成多個器件的功率模塊來設計。這些模塊可以集成三相半橋或一個半橋， 甚至在一個封裝中包含制動器、 PFC 或柵極驅動器。設計人員可以根據具體應用、 所需功率和電機電壓， 從圖 5 中選擇合適的安森美功率開關。采用 IGBT 或 SiC 的分立方案可用于最高約 5 kW 的單相應用。功率模塊可分為功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊(IPM) 兩種。與分立方案相比， 使用模塊具有許多優勢。

圖 5：基于所需功率水平和母線電壓的推薦逆變器方案

模塊集成了功率器件和保護功能(例如欠壓鎖定、 短路保護、 熱檢測等) ， 并且經過了全面測試， 因此所需空間更小且更加可靠。安森美提供 SiC 和 IGBT 模塊， 以及多種封裝、 拓撲和特性選項。

功率集成模塊將分立輸出級和 AC/DC 轉換器集成到單個器件中。一些 PIM 還集成了制動器， 因此被稱為轉換器-逆變器-制動器 (CIB) PIM。PIM 仍然需要單獨且合適的柵極驅動器。

智能功率模塊除了逆變器級之外， 還包含柵極驅動器和保護功能。使用此類模塊可大幅減小系統尺寸并加快產品上市。圖 6 為安森美 IPM 及其要素的示例。

圖 6：安森美智能功率模塊的集成度

IGBT

與 Si MOSFET 相比， IGBT 在同等材料厚度下的阻斷電壓更高， 因此非常適合高壓應用。IGBT 開關是高性價比的主流方案。其缺點是開關頻率可能較低， 這意味著需要使用較大的電感器。IGBT 長期用于驅動頻率最高達 20 kHz 的電機。

場截止 VII、 IGBT、 1200V

? 全新 1200 V 溝槽場截止 VII IGBT 系列

? 低 VCE(SAT) 型適合電機控制應用 - 提高可處理的功率并減少以熱量形式產生的功率損耗， 從而改善散熱

? 改善了寄生電容， 適合高頻操作， 經久耐用

? 1200V 第七代二極管實現了低 VF 和出色軟度 - 壓降較低有助于降低導通損耗;軟度指的是二極管的反向恢復， 反向恢復越軟， 噪聲和電磁干擾 (EMI) 問題就越少

二極管軟度定義為二極管恢復軟度因子 (RRSF)，

其中， dIrise/dt 為關斷過程中反向電流從 0 上升到峰值的最大斜率， difall/dt 為反向電流從峰值下降到 0 的最大斜率。如圖 7所示， 最新第七代二極管的軟度為 5， 比上一代提高了三倍。

圖 7：第七代與上一代二極管的軟度對比

IGBT FGY100T120RWD

? FS7 系列 1200V、 100A IGBT

? 集成第七代二極管

? VCE(SAT) = 1.4V， Tjmax = 175°C

? 正溫度系數，輕松支持并聯操作

? 低導通損耗和優化的開關，適合電機控制應用

圖 8：FS7 系列 1200V IGBT 的開關損耗

碳化硅 MOSFET - EliteSiC 技術

對于需要高電壓和高頻率的應用， SiC MOSFET 是理想選擇。碳化硅是一種寬禁帶半導體。這種材料兼具許多優異的固有特性， 例如電子遷移率更高、 本征載流子濃度更低和熱導率更高。材料之間的對比參見表 1。與硅相比， SiC MOSFET 電流密度更高， 開關損耗更低， 散熱系統更簡單。采用 SiC 技術的系統導通損耗較低， 因此能效更高。

EliteSiC 是安森美 SiC 技術的品牌名稱。EliteSiC MOSFET 的擊穿電壓范圍為 650V 至 1700V。由于采用特殊的平面設計， 所有 EliteSiC SiC MOSFET 產品系列在整個生命周期內的 RDS(ON)、 VTH 或二極管正向電壓均無漂移。

SiC MOSFET NTH4L014N120M3P

? 全新 1200V M3P 系列 EliteSiC MOSFET，ID = 152 A，采用 TO-247-4L 封裝

? 低開關損耗 - 典型EON 1308 μJ(74 A、 800 V 時)

? RDS(ON)=14 mΩ @VGS=18 V

? 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC

? 高速開關和低電容(COSS=146 pF)

圖 9：TO-247-4L 封裝

表 1：硅與碳化硅材料特性對比

SiC MOSFET NTH4L023N065M3S

? 全新 650V M3S 系列 EliteSiC MOSFET

? 開關損耗更低

? 針對高溫運作進行了優化

? RDS(ON)=22.6 mΩ @VGS=18 V

? 超低柵極電荷 (QG(TOT))=87 nC

? 高速開關和低電容全新 650V M3S 系列 EliteSiC MOSFET (COSS=153 pF)

? TO-247-4L 封裝

圖 10：V DC=400V、 V GS=18/-3V、 R G=4.7Ω 時總開關損耗對比

智能功率模塊

智能功率模塊 (IPM) 是目前市場上集成度較高的功率開關， 可采用 IGBT 或 Si MOSFET 設計， 能夠在單個封裝中包含整個逆變器和 PFC 級， 因此是電機控制應用的熱門選擇。其他優勢包括 EMI 性能改進、 空間優化和更簡單的熱設計。圖15 為安森美 IPM 產品組合的亮點。

智能功率模塊NFCS1060L3TT

? 在一個封裝中全整合 PFC 和逆變器級

? 包含 PFC SJ MOSFET、六個驅動 IGBT

? 600V、 10A

? 內置過流和交叉導通保護

? 內置自舉二極管和 NTC

? PFC 電感器尺寸更小

? 散熱器設計更簡單

? 低 EMI

智能功率模塊NFAM3065L4B

? 適用于 ACIM/BLDC/PMSM 的高性能輸出級

? 集成高側和低側柵極驅動器、六個 IGBT

? 650V、 30A

? 內置過電流和低壓保護、熱監測

? 內置溫度傳感器

? 低 EMI 和損耗

圖 11：安森美的各種 IPM 封裝

圖 12：安森美 IGBT IPM 產品組合

功率集成模塊 (PIM)

安森美提供采用 SiC MOSFET 和 IGBT 技術的功率集成模塊。這些模塊有助于改進設計， 最高支持 1200V 電壓。

IGBT 器件的主要缺點是開關速度低， 不過這在電機控制應用中不那么重要， 且得益于高電壓、 大電流能力和成本較低等優勢， 此類器件仍然是優選。

SiC 器件因出色的性能和功率密度而迅速普及。SiC 功率器件的開關損耗更低， 因此可以提高能效、 降低散熱要求， 或可用于提高開關頻率、 減小無源元件的尺寸和成本， 從而彌補 SiC 功率器件成本較高的缺點。

一個 PIM 封裝中可以包含半橋、 全橋甚至整個三相逆變器。使用模塊可大幅縮短設計時間、 減小散熱器尺寸， 提高整體集成度。

表 2：適用于電機控制的功率集成模塊

NXH800H120L7QDSG 是一款額定電壓為1200V、 額定電流為 800A 的 IGBT 半橋功率模塊。PIM11 (QD3) 封裝。

? 新的場截止溝槽 7 IGBT 技術和第 7 代二極管可提供更低的導通損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和優異的可靠性。

? 包含 NTC 熱敏電阻

? 低電感布局

圖 13：左邊為 NXH800H120L7QDSG原理圖，右邊為 PIM11 封裝

NXH006P120M3F2PTHG 是一款采用 F2封裝的 1200V SiC 半橋模塊。

? 在 VGS = 18V、 ID = 100A 時， M3 EliteSiC 技術的 RDS(ON) 典型值 = 6 mΩ。

? 包含熱敏電阻

? HPD 直接鍵合銅襯底

圖 14：左邊為 NXH006P120M3F2PTHG原理圖，右邊為 F2 封裝

由 PLECS 提供支持的 Elite Power 仿真工具

PLECS 是一種系統級仿真工具， 可通過優化的器件模型促進完整系統的建模和仿真， 盡可能地提高速度和精度。

PLECS 不同于基于 SPICE 的電路仿真工具， 后者更側重于電路元件的低層行為。PLECS 模型稱為“熱模型” ， 包含導通損耗和開關損耗的查找表及熱鏈。在仿真過程中， PLECS 采用插值和外推法， 通過損耗表來確定與電路運行相關的偏壓點導通損耗和開關損耗。

Elite Power 仿真工具提供廣泛的 AC-DC、 DC-DC 和 DC-AC 拓撲。此外， 安森美還提供引領行業的 PLECS 模型自助生成工具， 讓用戶可以創建在 Elite Power 仿真工具中使用的自定義模型。

圖 15：Elite Power 仿真工具中的三相兩電平逆變器拓撲

圖 16：IGBT 導通開關損耗 (75°C)

PLECS 提供一系列適用于工業電機控制的逆變器拓撲， 包括半橋、 全橋和三相逆變器。

選擇所需的拓撲后， 用戶可以修改電路的額定電壓和功率并選擇功率開關。目前， PLECS 僅限于 SiC MOSFET 和功率模塊、 FS7 IGBT 和 T10 硅 MOSFET。然后， 用戶可以在圖表(圖 16) 和表格中查找器件的損耗和熱數據。

仿真結果(圖 17 和 23) 可以保存， 并與先前采用不同參數或器件的仿真進行比較。仿真數據可以導出并進一步評估。

圖 17：開關結溫比較 (75°C)

圖 18：損耗分解 (75°C)

柵極驅動器

MOSFET 和 IGBT 無法由 MCU 或控制器直接驅動， 所以必須借助柵極驅動器來驅動。柵極驅動器可以是單個半橋， 驅動一個高側開關和一個低側開關， 也可以包含三個半橋柵極驅動器， 控制所有三個電機相。

隔離式柵極驅動器可以防止形成接地環路， 避免引起噪聲， 推薦用于高功率應用。當兩個電路的接地電位不同時， 系統就會有潛在的安全風險。隔離有助于防范事故并安全地承受高壓浪涌， 避免損壞設備或造成人員受傷。此外， 隔離還有助于保護控制系統， 并有助于改善與高壓方案中高側器件的通信。

表 3：推薦柵極驅動電壓

柵極驅動器的工作電壓由功率開關的規格決定。正電壓必須足夠高， 以確保柵極完全導通。此外， 必須確保不超過器件的最大柵極電壓。0V 柵極電壓一般可以使所有器件處于關斷狀態。

在關斷階段使用負偏壓可以降低 SiC MOSFET 的開關損耗， 這也有助于防止關斷過程中意外導通。安森美產品組合中的許多柵極驅動器支持外部負偏壓， 也就是使用外部電路為柵極驅動器提供負偏壓。全新NCP51752系列內置了負偏壓， 系統不必向柵極驅動器提供負偏壓軌， 因而能夠節省系統成本。

表 4：安森美 EliteSiC MOSFET 產品組合和相應的隔離柵極驅動器