為電器馬達提供動力

馬達類型

近一個世紀以來，感應馬達一直是電器行業的動力提供部件。在新型的變頻驅動器中，也有許多使用感應馬達。但有部分新的電器開始采用更高效、更緊湊輕巧的馬達系統。這些新型電器馬達實際上可以劃分為無刷直流(Brushless DC)馬達和開關磁阻(switched reluctance)馬達兩大系列。

許多家用電器都紛紛轉向采用帶有變頻驅動器的無刷直流馬達。這些高效且功能豐富的馬達有很高的轉矩/重量比。鑒于能源價格的走高和鐵價上升，人們對無刷直流馬達的興趣已大幅提高。妨礙這類馬達在更多電器中獲得廣泛采納的主要原因在于成本較高和驅動器設計比較復雜。不過，現在無刷馬達在電器以外應用中的普及正在穩步降低無刷直流馬達方案的成本。例如，采用了無刷直流馬達的混合動力汽車的流行，將成為未來推動這類馬達成本持續降低的主要力量之一。

開關磁阻馬達一直廣泛用于某些對馬達噪聲和轉矩脈動要求不太嚴格的機器中，比如真空吸塵器和手動工具等。這類馬達的優點包括轉矩大、轉度高、成本極低。
無刷直流馬達和開關磁阻馬達都采用 MCU或DSP來合成波形，然后再利用功率開關如Power MOSFET或IGBT加以放大。

驅動器類型

變頻驅動器可采用多種不同方式進行設計。最常見的是用于典型三相馬達的低頻驅動器方案，如圖1所示。

圖1  梯形波驅動器簡單但效率較低

如果需要更高的效率和性能，可采用PWM方案來生成正弦波。要進一步提高效率，可選擇如圖2所示的空間矢量調制 (Space Vector Modulation) 方案。

圖2  空間矢量調制方案可提供最高的電機驅動效率

智能功率模塊

最近幾年有大量智能功率模塊推出，這些模塊讓微控制器或DSP與馬達之間的功率接口更纖小，也更易于設計。與分立器件相比，智能功率模塊另外的優點是減小了寄生電感及提高了可靠性，這都得益于模塊內所有開關都使用相同的裸片，并便于測試。這些智能功率模塊包含了一個驅動電路和附加的保護電路，前者可以直接連接到微控制器的低壓TTL 或 CMOS輸出。模塊內整合了監控結溫的熱敏電阻、防止上下橋臂意外導通的邏輯電路，死區時間控制電路，以及可以降低EMI的驅動電路等。對模塊中的驅動IC進行優化，可以降低功率開關器件的EMI和驅動損耗。圖3所示為電器驅動常用的三相驅動模塊。其中，FSBS10N60是600V、額定電流3～30A的IGBT模塊系列的一款，封裝在44mm×26.5mm×5.5mm、帶2500VAC絕緣的緊湊型封裝中。

圖3  智能功率模塊FSBS10N60

對于更高的額定功率，可用DBC (直接綁定銅) 絕緣代替上面模塊中的陶瓷絕緣。DBC是一種銅-氧化鋁-銅 (有時是Cu-AlN-Cu)夾層，它具有出色的熱阻和高低溫循環可靠性。

設計人員使用這種模塊可以節省空間，這一優勢使驅動器能夠在馬達內部軸向安裝，因而無需在電機外部使用額外的功率驅動板。

過去數年中，針對馬達驅動應用而設計的智能功率模塊在家用電器中獲得越來越多的運用，同時價格大幅下降。這類模塊靈活性非常高，適用于寬廣的輸入電壓和功率范圍。

高壓橋臂驅動器

另一個讓緊湊、低成本的模塊能夠成為現實，從而徹底變革馬達驅動器的新技術，是高壓(600V)橋臂驅動器。現代高壓橋臂門極驅動器，如飛兆半導體的FAN7382，采用先進的設計減小了高壓IC工藝中寄生的源漏電容，從而使驅動器具有足夠的穩健性，能承受-9V以上的負電壓。這種驅動器優于上一代驅動器相比的地方是，電源電壓的正負尖刺不會造成驅動器閉鎖和控制信號丟失。而且，匹配傳輸延遲在50ns以下，使到開關頻率可達100kHz或150kHz。

這種IC內增加的共模dV/dt噪聲消除電路還有助于減少誤導通的可能性，因而提高電源電路的穩健性并使芯片更加緊湊，且無需額外的濾波器元件。這類IC(如FAN 7382)的靜態電流較小，故工作溫度也較低，從而提高可靠性。采用該技術，可以去掉上幾代馬達驅動器中非常普遍采用的4個隔離電源，同時在微控制器PCB板與功率開關PCB 板之間也無需光隔離，帶來了板面空間和成本的節省。

圖4  這種模塊可讓SRM驅動器沿真空吸塵器設計軸向安裝

IGBT-NPT比較 PT

二十多年來，馬達驅動器的功率開關器件首選IGBT。在一定的開關頻率下，IGBT的選型和設計可以降低損耗。對于馬達驅動器，這就意味著有多個IGBT系列。對應某些消費馬達，通常采用5kHz左右的開關頻率。而許多工業馬達應用20kHz左右的開關頻率。同時，更高的開關頻率還應用在馬達控制以外的領域。

IGBT的飽和壓降和關斷損耗的改進有助于提供可靠性和降低IGBT模塊的成本。最近5年來，傳統IGBT的能力有了巨大提升，新的NPT(Non-Punch Through)IGBT獲得廣泛運用。

NPT IGBT看起來類似于傳統IGBT或PT IGBT，但制造方式截然不同。NPT IGBT不同于MOSFET或傳統IGBT，它采用一塊輕摻雜N型基板作為外延區。制造NPT IGBT的晶圓經過P區和背面金屬區添加處理，如圖5b所示。然后再翻轉過來，添加IGBT的其他層。

圖5（a）傳統IGBT的X截面圖

圖5（b）NPT IGBT的X截面圖

一般來說，NPT IGBT不像傳統的IGBT速度那么快，飽和壓降 Vce(sat) 也沒有那么低。不過，它們往往更穩健，短路或過流條件下的耐受時間更加長，故而廣泛用于馬達控制應用。此外，如果對這兩類IGBT的開關波形進行比較，可以發現NPT IGBT產生的EMI要明顯少于PT IGBT。NPT IGBT關斷時間的波形基本上是單斜率。另一方面，傳統IGBT的下降時間包含了一個dI/dt非?？焖俚膮^域，但其后是長長的拖尾，電流下降率非常低，器件損耗很高。在高dI/dt區，傳統IGBT產生的EMI很高，可能會影響驅動器電路，通常必需對驅動器電路和功率開關進行隔離。NPT IGBT還有一個優勢，就是Vce(sat) 具有負溫度系數，這種特性在并聯IGBT時十分寶貴。

功率MOSFET

若需要50kHz以上的開關頻率，除了IGBT之外，還可以采用同封裝的傳統MOSFET或Superjuction MOSFET (電荷平衡MOSFET)。Superjunction MOSFET (在業界內的知名品牌，比如飛兆半導體的SuperFET) 大幅改進了功率MOSFET的導通電阻Rds(on)。這種新型的MOSFET面世已有約10年，相比傳統的MOSFET，制造起來十分復雜昂貴。然而，它們由隨著擊穿電壓指數增長的Rds(on)變成了線性增長。這讓它們在600V及以上的較低功率馬達驅動應用中非常具有吸引力。帶快速反并聯體二極管的傳統MOSFET和Superjunction MOSFET特別適用于小于100W的電機驅動。

微控制器和DSP

按照摩爾定律，構成馬達驅動器大腦的數字電路隨時間穩步發展，功能日益強大。現在，各種低成本的DSP乃至微控制器都能夠處理電器馬達驅動器電路在計算方面的挑戰。此外，DSP和微控制器彼此越來越相似，并專門針對馬達控制而設計。

最近，低成本8位微控制器已有足夠能力進行馬達矢量控制，并瞄準電器行業。

綜上所述，智能功率模塊中每個元件的進步共同實現了成本更低、可靠性更高的模塊。低成本功率模塊的發展大幅減少了EMI，增強了安全性，并在許多情況下無需光隔離。這些優勢反過來又大大降低了馬達驅動器的成本、減小其尺寸、增強其可靠性，有助于完成制造更高效率電器的目標。