作者：Nenad Belancic，Adam Gozdzicki

電機驅動(dòng)設計方面的技術(shù)進(jìn)步為我們開(kāi)啟了許多大門(mén)。例如在運動(dòng)控制系統中，更高精度、效率和控制能力給用戶(hù)體驗性和安全性、資源優(yōu)化以及環(huán)境友好性等方面帶來(lái)了諸多好處。無(wú)刷電機技術(shù)的引入則是業(yè)界朝著(zhù)全面提升效率邁出的重要一步。

從有刷到無(wú)刷的轉換已經(jīng)有很長(cháng)時(shí)間了，隨著(zhù)更多新技術(shù)和系統組件的引入，還在繼續向前發(fā)展。與此同時(shí)，電氣元件的最新發(fā)展也使得更好的熱管理、更高的功率密度和小型化成為可能，從而能以更具競爭力的成本執行更復雜的任務(wù)。

業(yè)界一流的半導體技術(shù)能使低中壓等級的電機設計更加高效和小巧，并為終端用戶(hù)提供更強的功能。工程師們可以選擇不同的半導體解決方案，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化電機驅動(dòng)設計。

終端產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率和熱阻等技術(shù)參數為驅動(dòng)器提出了一定的要求。為了創(chuàng )建一個(gè)能夠提高功率密度并縮小尺寸的最優(yōu)設計，設計師必須盡量降低損耗：包括傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗，并改善熱管理性能。

大功率封裝技術(shù)改進(jìn)

伴隨著(zhù)機器人和電動(dòng)工具中電池電壓不斷提高的趨勢，電機驅動(dòng)器功率也在不斷提高。這就意味著(zhù)在高額定電流、耐用性和延長(cháng)壽命方面，對功率半導體的要求越來(lái)越高。滿(mǎn)足這些要求的一個(gè)具有深遠意義的場(chǎng)景是新的封裝技術(shù)平臺，它有三種不同的變化，其選用取決于具體需求(參見(jiàn)圖1)。

圖1：TOLL、TOLG和TOLT封裝技術(shù)全面比較。來(lái)源：英飛凌

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的TO無(wú)引腳(TOLL)可以處理高達300A的電流，在大幅減少占位面積的情況下，提高了功率密度。與D2PAK相比，占位面積減小了30%，高度降低了50%，因此總體上節省了60%的空間，使得設計更加緊湊。

帶鷗翼的TO有引腳(TOLG)封裝，提供了一個(gè)與TO無(wú)引腳封裝兼容的外形尺寸。相對于無(wú)引腳式，鷗翼式引腳的額外優(yōu)點(diǎn)是使得板上熱循環(huán)(TCOB)性能提高了2倍。這種封裝在絕緣鋁金屬基板(Al-IMS)上的性能非常出色。

TOLT是TOLx系列中采用TO有引腳頂端冷卻方式的一種封裝。通過(guò)頂端冷卻，漏極暴露在封裝表面，使95%的熱量能夠直接散發(fā)到散熱器上，與TOLL封裝相比，RthJA提高了20%，RthJC提高了50%。

三相柵極驅動(dòng)控制器芯片

新的三相智能電機驅動(dòng)芯片，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)出采用無(wú)刷直流(BLDC)或永磁同步(PMS)電機的高性能電機驅動(dòng)器。這些設計特別適合于移動(dòng)機器人、無(wú)人機和電動(dòng)工具應用。

圖2：柵極驅動(dòng)控制器芯片可以與微控制器集成在同一封裝中。來(lái)源：英飛凌

借助使用內置數字SPI接口的50多個(gè)可編程參數，電機驅動(dòng)器芯片可實(shí)現高度可配置，可以驅動(dòng)各類(lèi)廣泛的MOSFET，從而實(shí)現最佳的系統效率。其他優(yōu)點(diǎn)還包括：

·減少外部元件數量，減小PCB面積
·更優(yōu)異的效率和電磁干擾(EMI)性能
·在使用不同的逆變器FET方面具有最大的靈活性
·具有高精度的電流檢測能力，同時(shí)可節省外部元件數量
·更高的動(dòng)態(tài)范圍，可進(jìn)一步提高信號分辨率
·更高的可靠性和故障檢測能力
·利用氮化鎵提高了效率和功率密度

在某些情況下，重要的設計目標是將功率電子器件集成在靠近電機的地方或同一殼體內。這種設計的潛在好處包括提高功率密度和降低BoM成本，因為電機和電子元器件可以放在一個(gè)較小的殼體內，借助系統效率的提升而節省了成本。

通常情況下，散熱和大電容一直是影響集成式電機驅動(dòng)器(IMD)性能的不利因素。通過(guò)基于氮化鎵(GaN)的設計，為克服開(kāi)關(guān)速度和最大輸出功率之間的艱難權衡提供了條件。利用面向場(chǎng)的控制(FOC)，實(shí)現了更高開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而帶來(lái)許多系統優(yōu)勢，包括減小大電容容量、降低電機紋波電流、降低扭矩紋波和聲學(xué)噪音等。另外，更高的頻率還能降低電機溫度。這種組合可以實(shí)現更高的端到端系統效率改進(jìn)。

在無(wú)人機中，提升系統效率后，其好處不僅因損耗減少能使設計效率更高，而且體積變得更小，這是無(wú)人機變得更輕從而飛得更遠的一個(gè)關(guān)鍵。

展望未來(lái)

更高的產(chǎn)品集成度可以幫助工程師更加容易地實(shí)現即買(mǎi)即用型解決方案，從而縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。正如電機驅動(dòng)芯片那樣，將高集成度與廣泛的可編程功能結合在一起，可以形成競爭性?xún)?yōu)勢和系統靈活性。新的封裝和寬帶隙技術(shù)還能提供額外的電機控制系統優(yōu)勢，例如：

新的封裝設計可以提供更優(yōu)化的熱管理性能，因為功率開(kāi)關(guān)的發(fā)熱總是與開(kāi)關(guān)損耗密不可分。
新的寬帶隙器件為更高的開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)奠定了基礎，在提高精度和縮小占位面積方面均大有裨益。
為了開(kāi)發(fā)出最具競爭力的電機控制系統，設計師必須充分利用好所有最新的可用技術(shù)。