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适用于电机驱动逆变器,PI二代BLDC驱动IC正式推出!
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适用于电机驱动逆变器,PI二代BLDC驱动IC正式推出!

2024-06-13 10:50:12 来源:半导体器件应用网 作者:厉丹 点击:1240

【哔哥哔特导读】软硬件结合!这款新品BLDC电机逆变器睡眠模式功耗降低至10mW以下,输出功率扩展至1马力的应用!

BLDC电机的使用量正在持续增长。作为主要市场驱动力之一,工业类电机应用节能指令也已提出新要求。

根据相关政策,欧盟计划到2035年实现2000亿美元的能耗节省,要求自2025年开始家电设备待机能耗需要低于300mW,其中洗碗机必须增加30%的效率。

印度市场则因气候炎热和人口众多,需要大量使用吊扇,而目前使用的多为低效的单相感应电机。为了实现50%的能效提升,印度政府正致力于提高能效,计划将老式风扇更换为BLDC电机驱动的风扇。

BLDC电机的优势不仅在于能效,还包括静音效果、精确控制和减少设备宕机时间。例如,在暖通空调应用中,BLDC电机能够实现气流的精确控制,提升用户体验。同时,通过预测电机寿命,提前更换电机,可以显著减少设备宕机时间。

BridgeSwitch™-2 IC是PI近期推出的第二代BLDC电机驱动IC产品。相较于第一代,该产品功率输出大幅提升,能够满足1马力单相或三相电机的应用需求。其次,待机功耗显著降低,提高了能源利用效率。此外,产品还引入了可预测性系统维护功能,能够准确判断电机损耗情况,提醒用户及时更换,延长了整机设备的使用寿命。

适用于电机驱动逆变器,PI二代BLDC驱动IC正式推出!

图1 BridgeSwitch™-2 IC应用场景

在性价比方面,新产品通过半桥集成和PCB板散热设计,减少了传统散热片的需求,降低了成本。同时,采用IPH内部电流检测技术,不仅提升了效率,还减少了外围元件的数量,进一步节省了成本。

提升电机效率与散热设计优化

在电机控制系统中,效率是至关重要的一环。PI针对功率开关管的特性进行了优化,特别是功率开关管体二极管的反向恢复特性进行了优化,适合电机类感性负载的应用,实现了电机在高效率下运行的同时,也优化了EMI表现。在高功率应用中,即使是微小的效率提升,也能显著降低功率器件IC的温升,减轻散热压力。

在电机正常运转期间,这些产品内部集成的高压FREDFET开关管,可以确保满足高压BLDC电机的使用需求,通常这类高压BLDC电机的母线电压为320V的直流高压。逆变器由三个半桥电路构成,由辅助供电电源提供15V驱动电压和3.3V给MCU供电,以执行FOC无感控制运算。这种设计实现了高达99%的变换效率,对于750W的系统,损耗仅为7.5W,显著提升了系统性能。

此外,电机控制方案支持各种电机控制算法,包括BLDC电机控制,通过MCU实现精确的电机控制,包括转速、噪音及波形等参数的优化。这不仅提升了电机的性能,也为终端客户提供了更灵活的研发空间。

为了简化散热设计,PI还推出了新的功率器件封装技术。对于小功率应用,沿用了紧凑型设计的InSOP-24C封装,通过回流焊方式实现PCB板上的散热。对于如500W和750W系列的大功率输出应用,则推出了适用于高功率电机应用的InSOP-L38封装,其更大的体积和更低的热阻,使之能够处理更高的输出功率。

BridgeSwitch™-2 IC采用了集成半桥(HB)架构。通过每个半桥单独的封装进行散热,这种布局增加了与PCB板的接触面积,从而减少了对外加散热片的依赖。相比传统的IPM模块,该方案显著降低了IC温度,最高可降低30°C以上,且散热效果更佳,更适合将逆变器驱动板内置于电机外壳中。

内置电流检测功能与睡眠模式优化

电机系统由电机驱动器和逆变器构成,其中逆变器采用三个桥接器件,并通过软件(MCU)实现闭环的开关控制。在电机控制中,电流检测是不可或缺的环节。PI采用内置电流检测(IPH)技术,取代了传统的外部电流检测电阻,显著降低了逆变器损耗10%以上,同时改善了温升表现。

IPH技术不仅提高了电流检测的准确性,避免了噪声干扰,还产生了更理想的正弦波电流,从而降低了谐波成分,提高了系统效率,并减少了噪音。与传统的分流器检测方式相比,IPH技术不仅节省了成本,还显著提升了波形质量。

更重要的是,通过精确检测相电流,可以准确预估电机的寿命。随着电机使用时间的增加,磨损和摩擦会导致电流波形畸变。通过监测这些变化,可以提前预知电机的磨损程度,并在电机即将失效前进行维护,从而显著缩短设备停机时间,提高用户体验。据测试显示,使用IPH技术的预测准确度高达92.5%,而传统方法仅为55%。

与第一代产品相比,第二代产品将驱动电压调整为15V,以兼容常见的IPM模块供电电压。同时,这代产品引入了睡眠模式功能,以进一步降低待机功耗。举例来说,当设备在30秒或三分钟内不工作时,MCU会检测并指令辅助供电电源降低输出电压至6V。此时,逆变器通过自供电方式继续操作,MCU则发出睡眠指令使构成逆变器的功率器件进入睡眠模式。

在睡眠模式下,系统功耗显著降低至小于10mW,远低于ERP标准要求的300mW。这一优化不仅满足了严格的功耗要求,还为用户提供了更好的待机体验,允许在待机模式下实现更多待机功能。

电机系统软件开发解决方案

电机系统的开发不仅涉及硬件,软件同样至关重要。为简化开发过程,PI提供了一套完整的软硬件搭配解决方案,包括逆变器的IC和MotorXpert电机调试软件。

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图2 总体的逆变器设计解决方案

该软件具有图形用户界面,允许用户手动输入参数以观察电机的旋转表现,包括效率、噪音和电流波形等。通过接口板与逆变器连接,实现双向故障传输,确保用户能实时了解系统状态。软件通过PWM控制信号调节半桥电路,并利用IPH电流反馈进行检测,以优化系统性能。

MotorXpert软件功能强大,支持单相或三相电机的启动、停止和实时参数调整。用户无需停机即可改变电机转速等参数,通过PID调节实现电机不同工作状态的平稳过渡。软件还提供可视化信息,包括故障显示和电机实时参数监控以及数字示波器功能,实时显示电流波形。

整个软件设计易于使用,无需编程知识,用户可直接通过图形界面设定参数。调试完成后,软件程序代码可拷贝至MCU进行批量生产。

需要注意的是,该解决方案只支持功能相对来讲比较高级的BLDC应用,而内部集成的高压FREDFET功率开关管,使其更适合于高压的BLDC电机应用。对于设备功能比较简单的仅有电机运转的低端应用,一些厂商可能选择将开关与控制软件集成到一个封装中,但对于高端产品或大型家电市场,仍需依赖MCU来实现复杂的功能控制,这也是BridgeSwitch的主要应用范畴。

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图3 BridgeSwitch™-2 IC应用场景

BridgeSwitch™-2和MotorXpert的完美搭配非常适用于高达1马力功率的电机应用,如冰箱压缩机、暖通空调、洗碗机、油烟机热泵、循环泵、吊扇、滚筒洗衣机、研磨机、搅拌机等。目前,PI可接受6月底前的量产订单。InSOP-28C封装将于2024年第二季度末入市。

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