近些年來(lái)，家用電器對節能的要求變得越來(lái)越強烈。這是很顯然的，僅電冰箱所消耗的能量就超過(guò)家庭用電量的10％。由于電冰箱的馬達主要在低速運轉，就有非常大的節能潛力，通過(guò)在低速驅動(dòng)器中簡(jiǎn)單改進(jìn)馬達的驅動(dòng)效率就能實(shí)現。
同樣，據估計工業(yè)用電的65％被電驅動(dòng)馬達所消耗，毫無(wú)疑問(wèn)，商家正逐漸意識到節能將成為改善收益率和競爭能力的關(guān)鍵。在電驅動(dòng)馬達中降低能量消耗有兩種主要的方式：改善馬達本身的效率和使用可調速驅動(dòng)器來(lái)有效地控制其工作速度。下面將介紹這兩種方法。
變頻驅動(dòng)器
馬達的應用已經(jīng)接近100年了，目前較新的應用使用了更加高效、簡(jiǎn)捷和輕便的馬達，包括無(wú)刷直流馬達系列和磁阻切換馬達系列。無(wú)刷直流馬達和磁阻切換馬達都使用一個(gè)MCU或DSP來(lái)合成驅動(dòng)信號，然后使用MOSFET或IGBT器件作為功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行放大。
能耗成本的增加正促使人們重新對采用變頻驅動(dòng)的無(wú)刷直流馬達產(chǎn)生了興趣。這些高效而通用的馬達有很高的扭矩重量比，但是阻礙它們廣泛應用的主要因素是驅動(dòng)電路的高成本和高復雜性。
設計變頻驅動(dòng)器有幾種不同的方法。常規三相馬達的最流行低頻驅動(dòng)方法是梯形波驅動(dòng)（見(jiàn)圖1）。
圖1 梯形波控制和實(shí)測波形
如果需要更高的效率和性能，就必須通過(guò)脈寬調制（PWM）方法來(lái)產(chǎn)生正弦波。為了更進(jìn)一步的改進(jìn)效率，還可以使用空間向量調制方法。
具有永磁體的三相同步馬達有兩種主要的類(lèi)型：正弦脈沖調制（PM）同步馬達和梯形無(wú)刷直流馬達。二者在許多方面是相同的（例如，二者都是電子換向的），但也有兩個(gè)主要的差別。
● 馬達的結構
正弦控制波形馬達與梯形控制波形馬達的BEMF感生電壓的形狀不同。
● 控制方式
控制電壓波形不同，分別是三相正弦波形（所有三個(gè)相位同時(shí)接通）與矩形六步換向（任何時(shí)候都有一個(gè)相位不接通）。
正弦脈沖調制（PM）同步馬達日益流行，在非常多的應用中替代了有刷直流常規馬達和其他類(lèi)型的馬達。主要的原因是它可以提供更好的可靠性而不需要電刷，以及有更高的效率、更低的噪聲和其他優(yōu)點(diǎn)（如圖2所示）。
圖2 內置永磁同步馬達（IPMSM）向量控制系統框圖
智能功率模塊
隨著(zhù)小型化馬達的設計越來(lái)越容易，智能功率模塊（SPM）提供了與MCU或DSP的功率接口。這些模塊相比分立元件方案的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了寄生自感和具有更高的可靠性，這是由于模塊中所有開(kāi)關(guān)器件都使用了相同類(lèi)型的基底。因此，它們具有相同的特性，以及很好的可測試性。
SPM是一個(gè)驅動(dòng)電路，可以直接與微控制器的低壓TTL或CMOS輸出引腳，以及其他保護電路連接。模塊有一個(gè)溫度傳感器來(lái)監視節點(diǎn)的溫度，有相應的控制邏輯來(lái)阻止高端和低端開(kāi)關(guān)管的偶然打開(kāi)、死區控制，以及波形整形電路以降低EMI。這些模塊的驅動(dòng)集成電路可以對開(kāi)關(guān)功率器件優(yōu)化以減少EMI和驅動(dòng)損耗。
高壓橋驅動(dòng)器
緊湊、低功耗型模塊為馬達驅動(dòng)器帶來(lái)高壓（600V）橋驅動(dòng)的變革。這些驅動(dòng)器經(jīng)過(guò)精心設計來(lái)減少內部高壓集成電路工藝中的寄生漏-源極電容，因此可以在標準負電壓超過(guò)-9V的環(huán)境下穩定工作。
供電電壓正和負峰值不會(huì )使驅動(dòng)器閉鎖和失去柵極控制，而最近十幾年，柵極驅動(dòng)器卻發(fā)生了很大的改變。如果傳輸延遲低于50ns，就可以使開(kāi)關(guān)頻率高達100或150kHz。
集成電路內部的共模dv/dt噪聲吸收電路有助于降低錯誤打開(kāi)的可能性，并使功率電路更加穩固，而且不需要額外的濾波電路就能夠使體積更加緊湊。低靜態(tài)電流的現代集成電路，例如FAN7382和FAN7384，能降低工作溫升，因而增加可靠性。
另外一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)是減少了電路板的面積和成本，它替代了在微控制器PCB和功率開(kāi)關(guān)PCB之間的四種隔離供電和光耦合隔離電路，而這在早先一代的馬達驅動(dòng)器產(chǎn)品中則是非常普遍的。
IGBT：NPT與PT的比較
二十多年來(lái)，馬達驅動(dòng)器中的功率開(kāi)關(guān)器件一直是IGBT，它在一定開(kāi)關(guān)頻率下可以降低損耗。對于馬達驅動(dòng)器領(lǐng)域，這也表明IGBT系列面向消費類(lèi)馬達的驅動(dòng)頻率大約為5kHz，許多工業(yè)馬達的驅動(dòng)頻率大約是29kHz，而有些馬達驅動(dòng)的驅動(dòng)器則有更高的驅動(dòng)頻率。
IGBT不斷革新，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的導通電壓和關(guān)閉能量與模塊的可靠性和低成本都有很大的關(guān)系。最近五年，常規IGBT的能力得到了巨大的改進(jìn)，而且新興的非擊穿IGBT更加普及�？雌饋�(lái)非常像常規擊穿IGBT的NPTIGBT是通過(guò)與以往不同的工藝制造的。與MOSFET和常規IGBT不同，NPT IGBT在晶圓工藝中使用P區域和底層金屬區域填充。
NPTIGBT的導通電壓Vce(sat)通常不會(huì )比常規IGBT的高，或者至少一樣低。然而，它們通常更加穩固�？梢猿惺芟喈旈L(cháng)時(shí)間短路或過(guò)流條件的能力使它們在馬達控制領(lǐng)域非常流行。此外，如果對比兩種類(lèi)型IGBT的開(kāi)關(guān)波形，就可以發(fā)現NPT IGBT產(chǎn)生的EMI比PT IGBT低很多。
NPT IGBT有一個(gè)基本是單一斜率的下降時(shí)間
換句話(huà)說(shuō)，常規IGBT的下降時(shí)間由一個(gè)dI/dt非常高的區域和之后一個(gè)非常長(cháng)的尾跡組成。在后一個(gè)區域，電流的下降速率非常低，而且器件損耗非常高。在高dI/dt的區域，常規IGBT所產(chǎn)生的EMI是很高的，通常會(huì )具有影響驅動(dòng)電路的可能，必須將驅動(dòng)電路和功率開(kāi)關(guān)管隔離。NPTIGBT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以采用Vce(sat)是正溫度系數的工藝制造，這是并聯(lián)IGBT時(shí)非常重要的參數。
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