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無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

發(fā)布時間:2021-10-22 來源:Bob Card 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無刷直流電機(BLDC)設(shè)計很復(fù)雜。在大量的MOSFET、IGBT和門極驅(qū)動器產(chǎn)品組合中開始選擇電子器件(舊的起點) 是茫然無助的。

 

安森美(onsemi)提供幫助,帶來一個 "新的一階近似值起點",提供與開關(guān)(N-FET或IGBT)相匹配的門極驅(qū)動,更接近客戶的最終決定,并跨越了 "舊的起點"——看似無止境的產(chǎn)品系列。這包括5個全面的表格,包含的電機電壓有:12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V和650 V,最高可達6 kW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

圖1

 

無刷直流電機(BLDC)

 

無刷直流(BLDC)電機具有許多優(yōu)于有刷永磁直流(PMDC)電機的優(yōu)勢,特別是更高的可靠性,幾乎無需維護,更低的電氣和聲學(xué)噪聲,更好的熱性能,更高的速度范圍,以及更高的功率密度。一個典型的BLDC電動機在轉(zhuǎn)子上使用永久磁鐵,在定子上使用三個電樞繞組(U、V、W)。一個微控制器(MCU)實施各種控制和調(diào)制方案(梯形、正弦、帶有SVM的FOC、DTC等)中的一種,以策略性地給電機繞組通電。 這就產(chǎn)生了電磁場,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。 如果操作得當,這種相互作用力可以精確控制電機的速度、扭矩或所需方向的功率。

 

圖2展示了一個典型的三相BLDC電動機的框圖。MCU執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件,它對其PWM外設(shè)發(fā)出指令,以向三個半橋門驅(qū)動器輸出六個協(xié)調(diào)占空比。 這三個驅(qū)動器充當輸出橋中六個功率MOSFET的動力轉(zhuǎn)向,給下橋(LS)和上橋(HS)U、V和W MOSFET通電。 這些通常是N-溝道MOSFET,額定電壓為電機電壓的1.5~2.0倍,最高可達300 V。在300 V以上,N溝道MOSFET通常被IGBT取代,因為它們的功率性能更高。

 

MCU可以通過FAN4852 CMOS運算放大器(9 MHz典型帶寬)測量流過每個繞組的電流,且可選擇用霍爾效應(yīng)傳感器反饋評估轉(zhuǎn)子的角度位置。或可實現(xiàn)一個無傳感器的架構(gòu),但需要更多的處理開銷。RSL10 BLE可用于資產(chǎn)跟蹤、空中固件更新(FOTA)、功能選擇/調(diào)整和遙測數(shù)據(jù)收集。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

圖2

 

BLDC 表 #1:12 V 和 24 V(N-FET)高達 1.1 kW

 

下表1列出了“新的一階近似值起點”,為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動,12 V的功率從93 W 至372 W, 24 V的功率從186 W至1.1 KW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

表1

 

BLDC 表 #2:48 V 和 60 V(N-FET)高達 1.5 kW

 

下表2列出了“新的一階近似值起點”, 為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動,48 V的功率從186 W到1.5 kW,60 V的功率從186 W到1.5 kW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

表2

 

BLDC 表 #3:48 V 和 60 V(N-FET)高達 3 kW

 

下表3列出了 “新的一階近似值起點”,為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動,120 V的功率從186 W到為1.8 kW, 200 V的功率從186 W到 3 kW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

表3

 

BLDC 表 #4:300 V 和 400 V(IGBT)高達 6 kW

 

下表4列出了“新的一階近似值起點” 為IGBT提供匹配的BLDC門極驅(qū)動,300 V的功率從372 W到4.5 KW, 400 V的功率從372 W 到6 kW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

表4

 

BLDC 表 #5:300 V、400 V 和 650 V (IPM) 高達 6 kW

 

下表5列出了集成功率模塊(IPM)的“新的一階近似值起點”,其中,門極驅(qū)動器和IGBT被集成到一個易于使用的模塊,300 V的功率從372 W到 4.5 KW,400 V的功率從372 W到 6 kW,和 650 V的功率從 372 W 到 6 kW。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

表5

 

安森美提供了一個很好的在線工具,用于構(gòu)建帶有 IPM(集成功率模塊)的 BLDC。用戶輸入 15 種工作條件,該工具會生成多個詳細的分析表以及 12 個捕獲關(guān)鍵熱和功率性能的圖表(圖 3)。

 

無刷直流 (BLDC) 電機設(shè)計:新起點

圖3

 

BLDC 表 #1 - #5

 

BLDC很復(fù)雜,從頭到尾有數(shù)百個決定要做。例如,如果您有3個不同的客戶;a、b和c(圖1),從相同的 "起點"(24 V,1 1/4hp電機)開始,當所有3個客戶瀏覽了他們各自的決策樹時,他們的最終設(shè)計將完全不同。這是因為每個客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護、使用壽命等的門檻。因此,建立的門極驅(qū)動與開關(guān)(MOSFET/IGBT)匹配表不可能對每個客戶都合適。如果我們嘗試,可能對一個客戶是適用的,而對另外999個客戶則不適用。然而,我們可以基于智能工程的考量做出一些合理的假設(shè),并產(chǎn)生一個 "一階近似值",它介于交給客戶開關(guān)和門極驅(qū)動器組合(舊的起點:你是自己的)與客戶的最終決定之間。

 

一階近似工程考量

 

1)成本:我們力求篩選出最低成本,同時滿足以下考量。

 

2)   拓撲結(jié)構(gòu):選擇梯形(又名 6 步控制)換向是因為它的控制相對簡單并產(chǎn)生高效和高峰值扭矩。由于在任何時候只有兩個功率開關(guān)導(dǎo)通,因此每個開關(guān)的“導(dǎo)通時間”占空比為 33%。

 

3)     PWM 占空比: PWM 頻率為 15 kHz。這是大多數(shù) 6 kW 以下 BLDC 的典型情況。

 

4)     門極驅(qū)動器: 結(jié)隔離門極驅(qū)動器。這些表格不包括電隔離。

 

5)     溫度:環(huán)境溫度 85 ℃。

 

6)     門極驅(qū)動計算:額定門極驅(qū)動的計算方法是將 Q G(TOT) (nC) 除以開/關(guān)時間 (ns)。我們?yōu)?N-FET 選擇 50 ns 開/關(guān),為 IGBT 選擇 200 ns。

 

7)     N-FET 結(jié)溫:對于表面貼裝封裝(無散熱器)的(T j ) 由 T j = P DISS x R θJA + Ambient 計算,在最大額定 T j以下至少留有 25 ℃的余量。

 

1. 其中:

 

i.     R θJA = 結(jié)點至環(huán)境的熱阻

 

8)     IGBT 結(jié)溫:帶散熱片的通孔封裝的IGBT 結(jié)溫 (Tj) 計算公式為 T j = P DISS x (R θ JC + R θ CS + R θ SA )+ 環(huán)境,在最大額定 T j以下至少留有 50 ℃的余量。

 

1. 其中:

 

i.     RθJC = 結(jié)到殼的熱阻

 

ii.     RθCS = 殼到散熱片的熱阻

 

iii.     RθSA = 散熱片到環(huán)境的熱阻

 

9) N-FET 功耗: I PHASE 2 (A) x R DSON(歐姆)。

 

10)   IGBT 功耗:開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗 + 二極管損耗

 

1. 其中:

 

i. 開關(guān)損耗 = E ts (J) x PWM 頻率 (Hz)

 

ii. 導(dǎo)通損耗 = I PHASE (A) x V CE(SAT) (V)

 

iii. 二極管損耗 =(開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗)x 0.25

 

11)  額定開關(guān)電壓: N-FET V (BR)DSS和 IGBT V CES = 2-3x 電機電壓

 

12)  額定開關(guān)電流: N-FET I D和 IGBT I C = 3 x I PHASE

 

13)  電機相電流: I PHASE = 1.23 x P OUT / V BUS

 

1. 其中:

 

i.     IPHASE = 電機相電流, 安培

 

ii.     POUT = 逆變器到電機的電功率輸出

 

iii.    PF = 電機功率因數(shù),0.0 – 1.0,1.0 是理想的(我們假設(shè)為 0.85)

 

iv.     VBUS =電機總線電壓、VDC 或 24 V

 

v.        MI = 調(diào)制指數(shù),0.0 – 1.0,典型值為 0.9(我們假設(shè)為 0.9)

 

 

免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。

 

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