宽带隙器件增强电机控制设计

    电机控制系统由软件和硬件组件组成，包括 IGBT、WBG 半导体和 MCU，它们变得越来越复杂。
    电机控制在工业4.0的技术发展中扮演着重要的战略角色。工业发展的一个关键问题是能源使用。电力消耗正在显着增长，部分原因是工业电动机的电力需求。由于这些不断增长的需求，在电机控制领域寻找有效的解决方案成为开发商和组件制造商等的首要任务。
    随着能源消耗的增加，由于涉及许多需要付出巨大努力的电子技术的严格控制要求，设计的复杂性也在增加。一个例子是使用宽带隙 (WBG) 材料。
    从功能的角度来看，电机控制包含多个级别。例如，运动控制需要执行非常复杂和计算密集型的控制算法。电机控制涵盖广泛的应用，从风扇和泵的简单控制到更复杂的工业控制问题，包括机器人和伺服机构。在这里，我们来看看电机控制系统的关键组件。
    电机和驱动器
    直流电机是常见的，因为它们更便宜并且由定子（固定部分）（即永磁体）和移动部分（转子）组成，其中包含连接到提供电流的换向器的绕组。电机的调速是通过调节直流电来实现的。为此，根据应用的性质，可以使用全桥、半桥或降压转换器来驱动直流电机。
    交流电机基本上由一个变压器组成，初级部分连接到交流电压，次级部分传导感应的次级电流。基于微处理器的电子设备、逆变器和信号调节用于控制该电机的速度。
    控制器是一种电子设备，在控制系统中充当“大脑”。使用的控制器数量根据需要控制的单个过程的数量而有所不同。对于一个复杂的系统，可能有许多控制器。这些控制器中的每一个都可以向电机发送命令，同时接收来自执行器本身的指令。

    工业应用中使用的机器人系统主要使用由交流电压 (AC) 供电的三相电机。例如，图 1显示了电子控制电路的框图，其中专用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信号。作为 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。

    图 1：交流供电的三相感应电机控制框图（：德州仪器）
    直流电机的控制器示例是 Trinamic 的TMCM-1637 5-A RMS 和TMCM-1638 7-A RMS 槽型模块，带有两个磁场定向控制器/驱动器，为磁场定向控制（或矢量）添加霍尔和 ABN 编码器功能控制）。这些模块支持单相直流电机、两相双极步进电机和三相无刷直流 (BLDC) 电机（图 2）。

    TMCM-163x 解决方案

    图 2：TMCM-163x 解决方案（：Trinamic）
    IGBT
    绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 体现了电力控制电子领域的真正创新。作为开关解决方案，创新来自于高开关频率。IGBT 代表电力控制设备的基本功能，非常适合解决复杂的电机控制问题。
    的解决方案在特别极端的使用条件下（例如在汽车领域使用逆变器驱动电动机时）在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系。一个例子是STMicroelectronics 的1,200-V IGBT S 系列。这些 IGBT 针对在低频（ 8 kHz）下的使用进行了优化，并具有低 V ce(sat)的特点。1,200-V IGBT S 系列基于第三代沟槽栅场截止技术。
    氮化镓和碳化硅
    然而，WBG 材料、氮化镓和碳化硅作为硅基器件的替代品正在电机控制应用中取得进展。在电力电子领域，WBG 材料提供的主要优势包括更低的功率损耗、更高的效率、更高的开关频率、更紧凑的尺寸、更高的工作温度（远远超过硅可达到的 150°C 上限）、在困难的工作条件下更高的可靠性和高击穿电压。
    例如，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的较高电子迁移率转化为更快的开关速度，因为通常积聚在接头中的电荷可以更快地分散。GaN可实现更快的上升时间、更低的漏源导通电阻 (R DS(on) ) 值以及更低的栅极和输出电容，所有这些都有助于其低开关损耗和能够以高达 10× 的开关频率工作高于硅。
    减少功率损耗会带来额外的好处，例如更高效的配电、更少的散热和更简单的冷却系统。许多电机控制应用需要风扇来提供强制风冷，以便在设备的安全运行范围内运行。通过使用 GaN，可以降低功耗并实现“无风扇”操作，这在电子无人机等轻型应用中尤为重要。
    在工业电源应用中，电子设计师也可以通过使用 SiC MOSFET 获得优势，与 IGBT 等传统硅基解决方案相比，SiC MOSFET 可显着提高效率、缩小散热器尺寸并降低成本。SiC 技术实现了非常低的每单位面积 RDS (on)、高开关频率，并且在体二极管关闭后发生的反向恢复阶段的能量损失可以忽略不计。
    碳化硅器件在电机控制和电力控制应用中的使用是一个真正的突破，这得益于节能、缩小尺寸、更高集成度和可靠性等特性。这些特性使它们非常适合汽车和工业自动化控制等高可靠性领域。
    在工业驱动中，必须特别注意开启和关闭换向速度。事实上，SiC MOSFET 的 dV/dt 可以达到比 IGBT 高得多的水平。如果处理不当，高换向 dV/dt 会增加长电机电缆上的电压尖峰，并可能产生共模和差模寄生电流，随着时间的推移，这些电流会导致绕组绝缘和电机轴承出现故障。尽管更快的开启/关闭提高了效率，但出于可靠性原因，工业驱动器中的典型 dV/dt 通常设置为 5 至 10 V/ns。

    STMicroelectronics 对两个类似的 1.2 kV 功率晶体管（SiC MOSFET 和硅基 IGBT）进行的比较证明，与Si IGBT，即使在 5 V/ns 的强加条件下（图 3）。

    图 3：基于两电平、三相逆变器的驱动器（：STMicroelectronics）
    由于节能、尺寸减小、集成机会和可靠性等特性，SiC 器件在一般电机控制和电力控制应用中的使用是一项真正的突破。在其他选项中，现在可以在连接电机的逆变器电路中使用开关频率，这在电机设计中具有重要优势。
    例如，英飞凌科技基于 SiC 的CoolSiC MOSFET采用 .XT 互连技术，采用 1,200 V 优化 D?PAK-7 SMD 封装，可在伺服驱动器等功率密度关键的电机驱动领域实现被动冷却，从而支持机器人和自动化行业在实施免维护和无风扇电机逆变器方面（图 4）。

    在自动化领域，无风扇解决方案带来了新的设计机会，因为它们节省了维护和材料方面的成本和精力。英飞凌采用 XT 互连技术的 CoolSiC 沟槽 MOSFET 芯片解决方案以小尺寸提供极具吸引力的热性能，使其非常适合在机械臂中集成驱动器，例如。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受时间为 3 ?s，额定值为 30 mΩ 至 350 mΩ。这符合伺服电机的要求。

    图 4：所有工作模式下的传导损耗降低（：Infineon Technologies）
    微控制器
    电机控制解决方案由硬件和软件组件组成。硬件部分是电子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二极管等，而软件部分解决的是对硬件的控制，硬件变得越来越复杂和精密。针对功率设备的控制和管理而优化的计算架构的可用性使开发人员能够获得在控制领域原本不可能实现的性能。
    NXP Semiconductors 和 Renesas Electronics 有几个例子。NXP 的MPC57xx系列 32 位处理器基于 Power Architecture 技术，适用于汽车和工业动力总成应用以及其他汽车控制和功能管理可能性。这些处理器提供 AEC-Q100 质量、用于防篡改的片上安全加密保护，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它们提供以太网 (FEC)、双通道 FlexRay 和高达 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C 的不同通信协议。
    瑞萨电子提供基于 Arm Cortex-M4 内核的RA6T1 32 位 MCU，以 120 MHz 的频率运行，并提供一系列针对高性能和精密电机控制而优化的外设。单个 RA6T1 MCU 多可同时控制两个 BLDC 电机。此外，适用于 TinyML 应用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架为 RA6T1 MCU 增加了增强的故障检测功能，为客户提供智能、易于使用且具有成本效益的无传感器电机系统，用于预测性维护。
    电机要求因应用而异，可能需要针对特定??用例进行优化和微调。市场提供了多种 IGBT、WBG 半导体和 MCU 方面的解决方案来满足这些要求。然而，需要开发新的硬件来从处理器卸载实时关键任务，同时支持更多的诊断、预测性维护和人工智能以及功能安全系统。