直流無刷電機：驅動器效率提高1%意味著什么？

傳統(tǒng)的有刷直流電機的繞組換相是采用電刷來完成。這類電機的缺點是，第一，隨著時間的推移，電刷會產生磨損，而影響電機的使用壽命，或需要定期更換電刷。第二，電刷摩擦會產生熱量，降低電機換能效率。第三，電刷摩擦會產生拉弧放電現(xiàn)象，而產生EMI（電磁干擾）問題。因此，有刷電機不適合用于速度較高的應用場合，而且其缺點隨電機應用功率的加大愈發(fā)明顯。越來越多的電機應用會轉換到無刷直流電機（BLDC）。

據不完全統(tǒng)計，我們日常生活中消耗的能量中有50%~60%，是被電機消耗掉的。在我們的家庭當中，冰箱中的壓縮機，空調的室內機、室外機等，都是由電機帶動。在工業(yè)中，任何旋轉、把電能轉換成機械能的地方，都需要使用電機。
傳統(tǒng)的有刷直流電機的繞組換相是采用電刷來完成。這類電機的缺點是，第一，隨著時間的推移，電刷會產生磨損，而影響電機的使用壽命，或需要定期更換電刷。第二，電刷摩擦會產生熱量，降低電機換能效率。第三，電刷摩擦會產生拉弧放電現(xiàn)象，而產生EMI（電磁干擾）問題。因此，有刷電機不適合用于速度較高的應用場合，而且其缺點隨電機應用功率的加大愈發(fā)明顯。越來越多的電機應用會轉換到無刷直流電機（BLDC）。
無刷電機是靠開關管來換相（電子換相）。包括單相電機和三相電機。需要采用逆變器將直流電轉換成交流電，從而改變電機繞組中的磁場方向。三相無刷直流電機包含三個繞組，可以采用星形或三角形連接。因此，電機驅動涉及三個橋臂電路，包含上管和下管，即橋式電路。
傳統(tǒng)的電機驅動應用，通常采用IPM（集成功率模塊），即集成了功率開關的模塊來控制。其對于三相應用集成了三個橋臂，即6個開關管。
日前，PI（Power Integrations）公司推出了一種新的驅動器——BridgeSwitch。相比IPM模塊，它在一個器件中只集成了2個開關管，這樣做的原因（好處）是什么？另外，它的效率進一步提高，這對于驅動電源來說，又有怎樣的好處？

PI公司資深技術培訓經理閻金光
效率提高1%=發(fā)熱降低33%=溫升顯著降低

PI公司資深技術培訓經理閻金光介紹說，BLDC包含眾多應用，如工業(yè)用泵、電風扇、“制冷型”家電（即冰箱、冰柜等帶壓縮機的家電）、“制濕型”家電（洗碗機、洗衣機等）和空調等。從下圖的IHS統(tǒng)計來看，從2018年到2023年，其復合年增長率將急劇增加。

交流電機頻率比較低，由于采用電刷進行換向，其噪音比較明顯，而在家電應用中講究用戶體驗，希望噪聲低。BLDC很好地適應了家電應用中對于高效率、低噪音及高可控性的要求。根據不同的應用，采用相應種類的電機及算法可以極大地改善用戶體驗，同時增加產品使用壽命，增加可靠性。
BLDC的驅動器都由逆變器構成，那么逆變器的效率改善會帶來哪些影響呢？

以輸入功率為260W的應用來看，當逆變器的效率是97%時，其功耗是7.8W，即逆變器中需要耗散的功率。若采用的是IPM模塊，則在很多情況下都會加一個散熱片來把這個熱量散掉，閻金光表示。若將逆變器的效率提高到98%，則需要逆變器耗散的功耗降低到5.2W，節(jié)省的功率為2.6W。雖然這個功率相對于輸入功率很小，但由于逆變器（IPM）封裝的尺寸非常小，通常內部集成了六個開關器件，因而效率要做得很高，才能把封裝的溫度降下來（功耗會使溫升急劇增加）。1%的效率改善（對應發(fā)熱降低33%），有可能使溫度由原來的100多℃降低到70~80℃。

在家電當中有個重要指標是TEC（總能耗）。它按電器在一年當中消耗的功率來計算，包括待機功耗和使用功耗，二者依標準所規(guī)定的計算公式，按照不同比例加權相加后，需滿足國際能效法規(guī)的要求。而包含電機的家電應用中，電機驅動器的效率直接對使用功耗產生影響。因而更高效率意味著更加易于滿足TEC要求。
此外，能效提高可以使舊有設備在滿足能效法規(guī)的情況下，多出的功率裕量可以用來給現(xiàn)有產品增加新的功能。例如，家用電器現(xiàn)在最火的概念是IoT，假如我們希望在下班的時候提前打開家里的空調，這需要通過網絡來實現(xiàn)。IoT產品通過IoT模塊（遠程控制功能）來實現(xiàn)，它會不停地接收家里的WiFi信號，看是否有指令下發(fā)，因此會有一定的功率消耗。而前述節(jié)省下來的2.6W功率就足夠支持IoT模塊接收電路的工作，這樣就能在不影響總能耗指標的情況下給現(xiàn)有產品增加新的功能，給用戶帶來更好的體驗。
只集成2個開關管而不是6個？解決散熱和可靠性問題

BridgeSwitch在一個芯片當中集成了一個半橋臂電路，即一個上管和一個下管，各自有一個驅動電路。如下圖所示，它適合于30~300W的BLDC逆變器驅動應用。BLDC包括高壓直流和低壓直流——在汽車產品中用的有24V，但在家電應用中高壓用的卻比較多。高壓有什么好處？雖然高壓會帶來安全問題，但電壓越高，電流越小，進而可以降低損耗（I2R）。因此若采用高壓直流電機，整個系統(tǒng)的效率可以比低壓直流電機做得高一點。家電產品用的母線電壓通常都是300V左右，也就是電機驅動逆變器的母線電壓。

它集成的FREDFET（快恢復外延型二極管場效應管）規(guī)格是600V。這種開關管是專門針對電感性負載應用而進行了優(yōu)化，特別適合于電機類負載的電流換向應用。
另外，它一個器件中集成的是2個開關器件，而傳統(tǒng)的IPM模塊是集成6個開關器件。6個開關器件集成在一個器件中，溫升會很高。將它們做到3個不同的器件上，則可以使溫升大幅下降，從而做到無需使用散熱片的設計?！霸诩译娫O計中，客戶最怕的就是安裝散熱片，因為它涉及到可靠性問題，如安裝一致性、運輸當中的振動、跌落試驗等均要求散熱片能夠保證散熱良好。如果你不需要散熱片，而僅靠pcb來散熱，就不需要擔心各種機械應力對系統(tǒng)散熱會產生影響。”閻金光表示。
高壓自供電有什么好處？傳統(tǒng)的IPM需要采用雙路電源——15V和5V，15V給驅動器供電，5V給MCU供電。15V可以給下管驅動器直接供電，上管還需要加一個自舉二極管。如果逆變器驅動本身能夠實現(xiàn)自供電的話，則可以簡化輔助供電電源的設計——只需要單路輸出的電源給MCU供電即可，并可省去這個自舉二極管，帶來成本節(jié)省。
最后，它提供全面的保護和監(jiān)控特性，如過流、欠壓/過壓和過溫保護。傳統(tǒng)上，由于封裝很小，PIN腳數目受限，不可能把保護功能做得非常完善。那傳統(tǒng)電路怎么來做保護？傳統(tǒng)的保護（如過壓保護）由MCU通過軟件（增加MCU負擔）和外圍電路（增加成本）來完成。BridgeSwitch提供SM（系統(tǒng)監(jiān)測）引腳，可以用它來做很多保護組合，比如可以同時實現(xiàn)輸入電壓監(jiān)測及系統(tǒng)過溫監(jiān)測。而FAULT引腳可以把內部的過溫故障、過流故障等發(fā)給MCU。由MCU最終決定是否采取動作（比如降速運行；當然，過溫達到極限時仍會自行切斷），非常智能。
創(chuàng)新的BridgeSwitch驅動器架構

系統(tǒng)MCU提供PWM驅動信號到三個BridgeSwitch驅動器當中，來驅動相應的上管和下管。單線故障報告接口通過脈沖的方式報告故障，從而可節(jié)省引腳數。相電流大小可以通過相電流信息引腳上的電阻讀出。這在某些應用當中可以用來檢測轉子的位置（無感檢測，當然需要與算法相配合）。ID引腳通過不同連接方式，可以在出現(xiàn)故障時告訴MCU，是哪個部位在匯報狀態(tài)。（另外，三相逆變器驅動應用中，若其中有一個橋臂損壞，可以只更換這一個器件，而不用像IPM那樣需全部替換。）XH和XL這兩個電阻用來設定上管和下管的限流點。SM具有多種連接組合，進而可組合來做多種保護——既可以連接到母線電壓來做過壓保護，也可以連接到溫敏電阻來做系統(tǒng)過溫保護，也可以連接三極管來做客戶自定義的檢測保護。

下面是BridgeSwitch和IPM實測溫升對比（風扇應用），118℃的情況下，PCB很可能耐受不住。使用IHB架構的BridgeSwitch則可以將熱量均分至不同器件上，從而將器件溫升大幅降低。

此外，BridgeSwitch采用硬件方式實現(xiàn)過流保護， 且上管和下管電流均進行逐周期的限流。相對于傳統(tǒng)用軟件實現(xiàn)保護的方式，硬件實現(xiàn)的方法可以大大降低軟件的負擔，提高軟件的代碼執(zhí)行率，節(jié)省外圍檢測電路的成本。同時也可以極大簡化軟件的認證成本及認證時間。