【導(dǎo)讀】電動汽車已經(jīng)塑造了世界，并將繼續(xù)在各個層面發(fā)揮作用。它們的使用范圍從簡單的家庭功能自動化的小型電機到可以移動山脈的重型電機。現(xiàn)在使用的電動機的數(shù)量和種類是驚人的，因此，了解到電動機及其控制系統(tǒng)幾乎占全世界用電量的一半，也許并不奇怪。
全球約30%的發(fā)電量用于驅(qū)動工業(yè)應(yīng)用中的電機。按絕對值計算，預(yù)計到2040年，世界工業(yè)部門的能源消耗量將翻一番。隨著人們對能源成本和有限資源在環(huán)境和財政方面的認(rèn)識的提高，提高用電驅(qū)動電動機效率的必要性變得更加突出。
低壓驅(qū)動器的要求
在低壓市場(標(biāo)準(zhǔn)型和緊湊型)中，應(yīng)用可分為輕型或重型。與驅(qū)動器觀點的主要區(qū)別在于，輕型電機和控制裝置通常必須在加速期間(如泵和風(fēng)扇應(yīng)用)維持110%的逆變器輸出電流過驅(qū)動(圖1)。重型電機和控制裝置通常需要設(shè)計成能夠承受高達(dá)150%額定逆變器電流的過驅(qū)動。這種較高的過載電流是由于傳送帶的加速階段造成的。
圖1:過載能力定義為在110%(輕型/正常負(fù)載)和150%(重載)之間加速運行期間高于額定電流的時間。
用于驅(qū)動器的IGBT7
電機驅(qū)動系統(tǒng)的獨特性和特殊性為IGBT的設(shè)計提供了新的途徑。有了正確的IGBT技術(shù)，就有可能創(chuàng)造出更適合滿足這些需求的模塊。這是英飛凌采用的最新一代IGBT技術(shù)，即IGBT7。在芯片層面，IGBT7采用了微模式溝槽(MPT)，其結(jié)構(gòu)有助于顯著降低正向電壓并提高漂移區(qū)的電導(dǎo)率。對于中等開關(guān)頻率的應(yīng)用，如電機驅(qū)動，IGBT7比前幾代產(chǎn)品顯著降低了損耗。
IGBT7比上一代(IGBT4)提供的另一個改進(jìn)是自由輪二極管，它也針對驅(qū)動應(yīng)用進(jìn)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毫伏，具有改進(jìn)的反向恢復(fù)軟性。
伺服驅(qū)動用SiC mosfet
隨著自動化程度的提高，對伺服電機的需求也相應(yīng)增加。他們將精確運動控制與高扭矩水平相結(jié)合的能力使其非常適合自動化和機器人技術(shù)。
英飛凌利用其制造專業(yè)知識和長期經(jīng)驗，開發(fā)了一種SiC溝槽技術(shù)，其性能高于IGBT，但具有相當(dāng)?shù)聂敯粜裕缍搪窌r間為2µs甚至3µs。英飛凌mosfet還解決了SiC器件固有的一些潛在問題，例如不需要的電容性開啟。此外，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO247-3封裝中提供了sic mosfet，現(xiàn)在在TO247-4封裝中有更好的開關(guān)性能。除了這些TO封裝外，SiC MOSFET還提供Easy 1B和Easy 2B封裝。
1200伏冷卻系統(tǒng)™ 與相應(yīng)的IGBT替代品相比，MOSFET提供了高達(dá)80%的開關(guān)損耗，其額外的優(yōu)點是損耗與溫度無關(guān)。然而，與IGBT7一樣，開關(guān)動作(dv/dt)也可以通過柵極電阻進(jìn)行控制，從而提供更大的設(shè)計靈活性。
圖2:SiC MOSFET簡化了電機中的逆變器集成
因此，使用Cool SiC的驅(qū)動器解決方案™ MOSFET技術(shù)可以實現(xiàn)高達(dá)50%的損耗降低(假設(shè)dv/dt類似)，基于較低的恢復(fù)、開啟、關(guān)閉和開啟狀態(tài)損耗。Cool SiC公司™ MOSFET的傳導(dǎo)損耗也比IGBT低，特別是在輕負(fù)載條件下。
除了整體效率更高和損耗更低之外，由SiC技術(shù)實現(xiàn)的更高的開關(guān)頻率對動態(tài)控制環(huán)境中的外部和集成伺服驅(qū)動器都有直接的好處。因為在不斷變化的電機負(fù)載條件下，電機電流的響應(yīng)更快。
在將整流器、斬波器和逆變器集成到單個模塊中時，在功率密度和開關(guān)效率方面具有優(yōu)勢，電機驅(qū)動器還需要閉環(huán)系統(tǒng)才能正確有效地工作。
更具體地說，無論使用何種開關(guān)技術(shù)，都必須有正確的門驅(qū)動器解決方案。柵極驅(qū)動器需要將用于開關(guān)設(shè)備開關(guān)的低壓控制信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)本身所需的高壓驅(qū)動信號。通常，控制信號將來自主機處理器。由于每種開關(guān)技術(shù)在輸入電容和驅(qū)動電平方面都有其獨特的特性，因此與合適的柵極驅(qū)動器相匹配是至關(guān)重要的。作為目前使用的所有電源技術(shù)的開發(fā)商和供應(yīng)商，英飛凌為其Si-mosfet、Si-igbt、SiC-mosfet和GaN-HEMTs提供優(yōu)化的柵極驅(qū)動器。
控制回路的最后一個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。通常使用電流傳感器來達(dá)到這一目的。英飛凌已經(jīng)開發(fā)出一種霍爾效應(yīng)解決方案，消除了對鐵磁集中器的需要，使其更簡單，侵入性更小。這使它成為完全集成伺服電機的理想選擇。
森西夫號™ 電流傳感器的范圍，如TLI4971，是差動霍爾電流傳感器，提供高磁場范圍和低偏移值。此外，它們沒有磁滯現(xiàn)象，并且具有良好的雜散場抗擾性。由于采用了無核概念，它們體積小巧，支持高度集成，而超低功耗和功能隔離使它們非常靈活和可靠。
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