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PI高压BLDC电机驱动器IC将效率推向极致

Power Integrations公司(PI)日前发布BridgeSwitch集成半桥电路(IHB)电机驱动器IC产品系列。据该公司高级技术培训经理Jason Yan先生介绍,BridgeSwitch IC内部集成了两个性能加强的FREDFET(具有快恢复外延型二极管的场效应晶体管),分别用于半桥电路的上管和下管,具有无损耗的电流检测功能,可使300W以内的无刷直流(BLDC)电机驱动器应用中的逆变器转换效率达到98.5%。

作者:Bodo’s功率系统杂志编辑徐敏

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Power Integrations高级技术培训经理Jason Yan先生

强势进入BLDC驱动市场

Jason说道,无刷直流电机驱动是Power Integrations刚刚进入的第四个市场,PI的传统业务是功率开关,现在把相应的开关技术用到了这个相当于逆变器的电机驱动器IC产品中来驱动电机。

他认为,从BLDC的市场趋势来看,年复合增长率表现很好,从今年开始会增长非常迅速,因为BLDC是传统AC电机的有力竞争者。BLDC具体应用有工业用泵、工业风扇、制冷型家电(如冰箱、冰柜)、制湿型家电(如洗碗机、洗衣机)、空调等。因此PI非常看好这块市场。

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他强调,从电机转换效率来看,如果效率方面有一点点改善,对节能就会有显著的影响。因为BridgeSwitch是用在逆变器部分,对于一个输入功率达260W的电机应用来讲,假设传统电源的逆变器效率是97%,逆变器要消耗掉7.8W功耗。如果效率只有一个百分点的增加,就可以把功耗从7.8W降到5.2W,这就意味着整个逆变器可以节省功率2.6W,需要逆变器耗散的热量可以降低33%,进而使得家电中IPM模块温升急剧下降,大大增加系统运行的可靠性并更加易于满足能效标准要求。而如果采用BridgeSwitch方案其效率提升更可高达一点五个百分点,由损耗产生的耗散热量更可减少50%,其温升改善效果将会更加明显。

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通常,在家电行业,世界节能标准往往对家用电器有个总能耗(TEC)的要求,即任何电器在一年中所消耗的电能必须在某个限值以下。如果能改善电机驱动效率,就会使得内部具有电机的家用电器更加易于满足TEC能耗的要求,满足高效节能标准。而对于已经满足TEC能耗要求的现有家电产品,如果可以提高电机驱动的效率,则节省下来的功率可以用来给电器增加额外的功能特点,给客户带来更好的用户体验。

PI之所以进入迅猛增长的BLDC市场,就是要利用其多年深耕于功率开关集成的技术优势,提高电机驱动的效率,改善温升,提高电机驱动的可靠性。同时可以应对全球范围内日益严格的节能标准和法规所面临的挑战,实现能源和空间节省,同时精简BOM成本。

不仅仅是提升效率

Jason详细介绍了BridgeSwitch器件的一些特性和功能。他说,IHB驱动器不仅可以提供的优异效率,还可以实现分布式散热方法以省去散热片,有助于降低系统成本和重量。由于具有集成无损耗电流检测、总线电压检测和系统级过温检测等特性,因此该器件系列非常适合家电中的BLDC电机驱动应用,如冰箱压缩机、暖通空调系统风扇以及其他家用和轻型商用泵、风扇和风机。QQ20181229-222440@2x

他告诉记者,BridgeSwitch IC中所使用的600V FREDFET集成了快速超软恢复体二极管。这有助于大幅降低开关损耗和减少噪声的产生,从而简化系统级EMC设计。这款新的高压自供电半桥电机驱动器IC还具有内置的器件保护和系统监测特性,同时具备一个可靠的单线接口用以进行工作状态的更新,在电机微处理器和多达三个BridgeSwitch器件之间进行通信。每个BridgeSwitch器件的上管和下管限流点都可以单独进行设定,这样无需微处理器及相关外围电路在电机绕组开路或短路情况下提供整个系统的保护。集成的无损耗电流监测特性可提供基于硬件的电机故障保护,有助于简化电机故障保护机制,从而满足IEC60335-1和IEC60730-1要求。

此外,新器件的其他特性包括高达20kHz的PWM工作频率,同时还提供反映精确、实时FREDFET漏极电流大小的小信号输出,其幅值与电机绕组的正向电流成镜像关系。其安全特性包括两级器件过温检测、下管和上管逐周期电流限流以及直流总线过压和欠压保护及报告。新器件可兼容所有常见的控制算法:磁场定向控制(FOC)、正弦控制以及提供有传感器和无传感器检测的梯形控制算法,关于这三种控制算法的具体应用请参见参考设计DER-654、DER-653和DER-749。BridgeSwitch采用薄型表面贴装式InSOP-24C封装,其爬电距离大于3.2 mm,可通过两个裸焊盘实现使用PCB进行散热。

另外,Jason还比较了IPM模块和BridgeSwitch器件的发热情况,得用后者可以将温度从118度降到88.3度。即使用三个器件散热,热阻也要比一个器件低很多,所以可以降低系统中集中发热的现象,提高可靠性。

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BridgeSwitch采用自供电,简化了辅助电源。传统的辅助电源是一个反激式电源,IPM模块都使用双路输出的辅助电源,一个是15V,一个是5V。现在实现自供电之后,就不再需要其中的15V输出了,可以通过内部高压母线给IC供电,这样就可以把变压器做的更小,采用更小的输入滤波电容。甚至可以简化至使用普通的降压型变换器仅给MCU提供供电即可。总之,自供电的特点大大简化了辅助电源的设计。它也是BridgeSwitch器件一个重要的卖点,因为在市场上没有这种自供电的IPM模块。

智能化成为新趋势

相对于传统的IPM模块,BridgeSwitch的单线故障报告功能也成为其独特的亮点。其通过故障母线与MCU进行双向状态更新通讯的能力,使其大大不同于传统的IPM模块实现的逆变器设计。当逆变器内部产生的任何过流、母线电压过欠压、过温及内部驱动器通讯故障等现象时,相应的BridgeSwitch器件会利用故障总线以高低电平的脉冲信号方式报告给系统MCU,由微处理器进行相应的驱动信号控制,使得电机驱动实现系统级的智能化控制。这对于某些高端电机驱动应用具有非常好的实用化价值。

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综上所述,相信BridgeSwitch的推出,将为BLDC市场的蓬勃发展锦上添花。

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