電動機塑造了世界，并在各個層面繼續(xù)如此。它們的范圍從實現(xiàn)簡單家庭功能自動化的小型電機到可以移動山脈的重型電機?，F(xiàn)在使用的電動機的數(shù)量和種類是驚人的，因此了解電動機及其控制系統(tǒng)幾乎占全球消耗的全部電力的一半也就不足為奇了。

進一步細分，全球約 30% 的電力用于驅動工業(yè)應用中的電機[1]。從絕對數(shù)字來看，能源的消耗量在世界工業(yè)部門預計，到2040年將翻一番隨著增加資源有限的能源和成本，無論是在環(huán)境和融資條件，需要在更大的使用效率意識驅動電機的電力變得更加突出。

低壓驅動器——要求和要求

在市場的低壓部分（標準和緊湊型），應用可分為輕型或重型。從驅動器的角度來看，主要區(qū)別在于輕型電機和控制器通常必須在加速期間（例如在泵和風扇應用中）在短時間內(nèi)維持 110% 的逆變器輸出電流的超速驅動（圖 1）。重型電機和控制裝置通常需要設計成能夠承受高達標稱逆變器電流 150% 的過載。這種較高的過載電流歸因于傳送帶的加速階段等。

圖 1：過載能力定義了在 110%（輕負載/正常負載）和 150%（重負載）之間的加速操作期間高于額定電流的時間段。

驅動器用IGBT7

電機驅動系統(tǒng)的獨特和特定要求需要一種新的 IGBT 設計方法。使用正確的 IGBT 技術，可以創(chuàng)建更適合滿足這些需求的模塊。這是英飛凌采用其最新一代 IGBT 技術 IGBT7 所采用的方法。在芯片級，IGBT7 使用微圖案溝槽 (MPT)，其結構有助于降低正向電壓并增加漂移區(qū)的導電性。對于具有中等開關頻率的應用，例如電機驅動器，IGBT7 比前幾代產(chǎn)品顯著降低了損耗 。

與上一代 (IGBT4) 相比，IGBT7 提供的另一項改進是續(xù)流二極管，該二極管也針對驅動應用進行了優(yōu)化。此外，發(fā)射極控制二極管 EC7 的正向壓降現(xiàn)在比 EC4 二極管的正向壓降低 100 mV，并具有改進的反向恢復軟度。

用于伺服驅動器的 SiC MOSFET

隨著跨行業(yè)使用更多自動化，對伺服電機的需求相應增加。它們將精確運動控制與高扭矩水平相結合的能力使它們非常適合自動化和機器人技術。

憑借其制造專業(yè)知識和長期經(jīng)驗，英飛凌開發(fā)了一種 SiC 溝槽技術，該技術提供比 IGBT 更高的性能，但具有相當?shù)姆€(wěn)健性，例如 2 μs 甚至 3 μs 的短路時間。英飛凌的 CoolSiC? MOSFET 還解決了 SiC 器件固有的一些潛在問題，例如不需要的電容導通。此外，碳化硅 MOSFET 采用符合行業(yè)標準的 TO247-3 封裝，現(xiàn)在采用 TO247-4 封裝，具有更好的開關性能。除了這些 TO 封裝外，SiC MOSFET 還提供 Easy 1B 和 Easy 2B 封裝。

1200 V CoolSiC? MOSFET 的開關損耗比相應的 IGBT 替代品低 80%，另外還有損耗與溫度無關的優(yōu)勢。然而，與 IGBT7 一樣，開關行為 (dv/dt) 也可以通過柵極電阻進行控制，從而提供更大的設計靈活性。

圖 2：碳化硅 MOSFET 簡化了電機中的逆變器集成

因此，基于較低的恢復、導通、關斷和導通狀態(tài)損耗，使用 CoolSiC? MOSFET 技術的驅動解決方案可以將損耗降低多達 50%（假設類似的 dv/dt）。CoolSiC? MOSFET 還具有比 IGBT 更低的傳導損耗，尤其是在輕負載條件下。

除了整體更高的效率和更低的損耗外，碳化硅技術實現(xiàn)的更高開關頻率在更動態(tài)的控制環(huán)境中對外部和集成伺服驅動器有直接的好處。這是可能的，因為在不斷變化的電機負載條件下電機電流的響應速度更快。

把這一切放在一起

雖然將整流器、斬波器和逆變器集成到單個模塊中可在功率密度和開關效率方面帶來好處，但電機驅動器還需要閉環(huán)系統(tǒng)才能正確高效地運行。

更具體地說，無論使用何種開關技術，都必須配備正確的柵極驅動器解決方案。需要柵極驅動器將用于打開和關閉開關器件的低壓控制信號轉換為開關本身所需的高壓驅動信號。通常，控制信號將來自主機處理器。由于每種開關技術在輸入電容和驅動電平方面都有其獨特的特性，因此將其與正確的柵極驅動器相匹配至關重要。作為目前使用的所有電源技術的開發(fā)商和供應商，英飛凌為其 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供優(yōu)化的柵極驅??動器。

控制回路的最后但同樣重要的部分是傳感器，它在電機和控制器之間提供部分反饋。為此目的，通常使用電流傳感器。英飛凌開發(fā)了一種霍爾效應解決方案，無需鐵磁集中器，使其更簡單，干擾更少。這使其成為完全集成的伺服電機的理想選擇。

XENSIV? 系列電流傳感器（例如 TLI4971）是差分霍爾電流傳感器，可提供高磁場范圍和低偏移值。此外，它們沒有磁滯，并具有良好的雜散場抗擾度。由于采用了無芯概念，它們的緊湊尺寸支持高度集成，而它們的超低功耗和功能隔離使它們非常靈活和可靠。

審核編輯：劉清