无刷直流 (BLDC) 电机设计的新起点

发布时间:2024-09-18  

前言


无刷直流电机(BLDC)设计很复杂。在大量的MOSFET、IGBT和门极驱动器产品组合中开始选择电子器件(旧的起点) 是茫然无助的。


安森美(onsemi)提供帮助,带来一个 “新的一阶近似值起点”,提供与开关(N-FET或IGBT)相匹配的门极驱动,更接近客户的最终决定,并跨越了 “旧的起点”——看似无止境的产品系列。这包括5个全面的表格,包含的电机电压有:12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V和650 V,最高可达6 kW。

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无刷直流电机(BLDC)


无刷直流(BLDC)电机具有许多优于有刷永磁直流(PMDC)电机的优势,特别是更高的可靠性,几乎无需维护,更低的电气和声学噪声,更好的热性能,更高的速度范围,以及更高的功率密度。一个典型的BLDC电动机在转子上使用永久磁铁,在定子上使用三个电枢绕组(U、V、W)。一个微控制器(MCU)实施各种控制和调制方案(梯形、正弦、带有SVM的FOC、DTC等)中的一种,以策略性地给电机绕组通电。这就产生了电磁场,导致转子磁铁和定子绕组之间产生相互作用力。如果操作得当,这种相互作用力可以精确控制电机的速度、扭矩或所需方向的功率。


图2展示了一个典型的三相BLDC电动机的框图。MCU执行控制和调制方案固件,它对其PWM外设发出指令,以向三个半桥门驱动器输出六个协调占空比。这三个驱动器充当输出桥中六个功率MOSFET的动力转向,给下桥(LS)和上桥(HS)U、V和W MOSFET通电。这些通常是N-沟道MOSFET,额定电压为电机电压的1.5~2.0倍,最高可达300 V。在300 V以上,N沟道MOSFET通常被IGBT取代,因为它们的功率性能更高。


MCU可以通过FAN4852 CMOS运算放大器(9 MHz典型带宽)测量流过每个绕组的电流,且可选择用霍尔效应传感器反馈评估转子的角度位置。或可实现一个无传感器的架构,但需要更多的处理开销。RSL10 BLE可用于资产跟踪、空中固件更新(FOTA)、功能选择/调整和遥测数据收集。

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BLDC表#1:12 V和24 V(N-FET)高达1.1 kW


下表1列出了“新的一阶近似值起点”,为N沟道MOSFET提供匹配的BLDC门极驱动,12 V的功率从93 W至372 W,24 V的功率从186 W至1.1 KW。

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BLDC表#2:48 V和60 V(N-FET)高达1.5 kW


下表2列出了“新的一阶近似值起点”,为N沟道MOSFET提供匹配的BLDC门极驱动,48 V的功率从186 W到1.5 kW,60 V的功率从186 W到1.5 kW。

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BLDC表#3:48 V和60 V(N-FET)高达3 kW


下表3列出了“新的一阶近似值起点”,为N沟道MOSFET提供匹配的BLDC门极驱动,120 V的功率从186 W到为1.8 kW,200 V的功率从186 W到3 kW。

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BLDC表#4:300 V和400 V(IGBT)高达6 kW

下表4列出了“新的一阶近似值起点” 为IGBT提供匹配的BLDC门极驱动,300 V的功率从372 W到4.5 KW,400 V的功率从372 W到6 kW。

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BLDC表 #5:300 V、400 V和650 V(IPM)高达6 kW


下表5列出了集成功率模块(IPM)的“新的一阶近似值起点”,其中,门极驱动器和IGBT被集成到一个易于使用的模块,300 V的功率从372 W到4.5 KW,400 V的功率从372 W到6 kW,和650 V的功率从372 W到6 kW。

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安森美提供了一个很好的在线工具,用于构建带有 IPM(集成功率模块)的BLDC。用户输入15种工作条件,该工具会生成多个详细的分析表以及12个捕获关键热和功率性能的图表(图3)。

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BLDC表#1-#5


BLDC很复杂,从头到尾有数百个决定要做。例如,如果您有3个不同的客户;a、b和c(图1),从相同的“起点”(24 V,11/4 hp电机)开始,当所有3个客户浏览了他们各自的决策树时,他们的最终设计将完全不同。这是因为每个客户都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、维护、使用寿命等的门槛。


因此,建立的门极驱动与开关(MOSFET/IGBT)匹配表不可能对每个客户都合适。如果我们尝试,可能对一个客户是适用的,而对另外999个客户则不适用。然而,我们可以基于智能工程的考量做出一些合理的假设,并产生一个 “一阶近似值”,它介于交给客户开关和门极驱动器组合(旧的起点:你是自己的)与客户的最终决定之间。


一阶近似工程考量

成本:我们力求筛选出最低成本,同时满足以下考量。


拓扑结构:选择梯形(又名6步控制)换向是因为它的控制相对简单并产生高效和高峰值扭矩。由于在任何时候只有两个功率开关导通,因此每个开关的“导通时间”占空比为33%。


PWM占空比:PWM频率为15 kHz。这是大多数6 kW以下BLDC的典型情况。


门极驱动器: 结隔离门极驱动器。这些表格不包括电隔离。


温度:环境温度85 ℃。


门极驱动计算:额定门极驱动的计算方法是将Q G(TOT)(nC)除以开/关时间(ns)。我们为N-FET选择 50 ns开/关,为IGBT选择200 ns。


N-FET结温:对于表面贴装封装(无散热器)的(T j) 由 T j = P DISS x R θJA + Ambient 计算,在最大额定 T j以下至少留有25 ℃的余量。


其中:

- R θJA = 结点至环境的热阻

IGBT结温:带散热片的通孔封装的IGBT结温(T j)计算公式为T j=P DISS x (R θJC+R θCS + R θSA )+环境,在最大额定 T j以下至少留有50 ℃的余量。


其中:

- R θJC = 结到壳的热阻

- R θCS = 壳到散热片的热阻

- R θSA = 散热片到环境的热阻


N-FET功耗: I PHASE² (A) x R DSON(欧姆)。

IGBT 功耗:开关损耗 + 导通损耗 + 二极管损耗


其中:

- 开关损耗 = E ts (J) x PWM 频率(Hz)

- 导通损耗 = I PHASE (A) x V CE(SAT) (V)

- 二极管损耗 =(开关损耗 + 导通损耗)x 0.25


额定开关电压:N-FET V(BR)DSS和IGBT VCES = 2-3x 电机电压


额定开关电流:N-FETID和IGBTIC=3 x I PHASE。


电机相电流: I PHASE = 1.23 x P OUT / V BUS


其中:

- IPHASE = 电机相电流, 安培

- POUT = 逆变器到电机的电功率输出

- PF=电机功率因数,0.0–1.0,1.0是理想的(我们假设为 0.85)

- VBUS = 电机总线电压、VDC 或 24 V

- MI = 调制指数,0.0 – 1.0,典型值为0.9(我们假设为0.9)


文章来源于:电子工程世界    原文链接
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