【導(dǎo)讀】電動汽車已經(jīng)塑造了世界，并將繼續(xù)在各個(gè)層面發(fā)揮作用。它們的使用范圍從簡單的家庭功能自動化的小型電機(jī)到可以移動山脈的重型電機(jī)。現(xiàn)在使用的電動機(jī)的數(shù)量和種類是驚人的，因此，了解到電動機(jī)及其控制系統(tǒng)幾乎占全世界用電量的一半，也許并不奇怪。
全球約30%的發(fā)電量用于驅(qū)動工業(yè)應(yīng)用中的電機(jī)。按絕對值計(jì)算，預(yù)計(jì)到2040年，世界工業(yè)部門的能源消耗量將翻一番。隨著人們對能源成本和有限資源在環(huán)境和財(cái)政方面的認(rèn)識的提高，提高用電驅(qū)動電動機(jī)效率的必要性變得更加突出。
低壓驅(qū)動器的要求
在低壓市場(標(biāo)準(zhǔn)型和緊湊型)中，應(yīng)用可分為輕型或重型。與驅(qū)動器觀點(diǎn)的主要區(qū)別在于，輕型電機(jī)和控制裝置通常必須在加速期間(如泵和風(fēng)扇應(yīng)用)維持110%的逆變器輸出電流過驅(qū)動(圖1)。重型電機(jī)和控制裝置通常需要設(shè)計(jì)成能夠承受高達(dá)150%額定逆變器電流的過驅(qū)動。這種較高的過載電流是由于傳送帶的加速階段造成的。
圖1:過載能力定義為在110%(輕型/正常負(fù)載)和150%(重載)之間加速運(yùn)行期間高于額定電流的時(shí)間。
用于驅(qū)動器的IGBT7
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的獨(dú)特性和特殊性為IGBT的設(shè)計(jì)提供了新的途徑。有了正確的IGBT技術(shù)，就有可能創(chuàng)造出更適合滿足這些需求的模塊。這是英飛凌采用的最新一代IGBT技術(shù)，即IGBT7。在芯片層面，IGBT7采用了微模式溝槽(MPT)，其結(jié)構(gòu)有助于顯著降低正向電壓并提高漂移區(qū)的電導(dǎo)率。對于中等開關(guān)頻率的應(yīng)用，如電機(jī)驅(qū)動，IGBT7比前幾代產(chǎn)品顯著降低了損耗。
IGBT7比上一代(IGBT4)提供的另一個(gè)改進(jìn)是自由輪二極管，它也針對驅(qū)動應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。此外，發(fā)射極控制二極管EC7的正向壓降現(xiàn)在比EC4二極管的正向壓降低100毫伏，具有改進(jìn)的反向恢復(fù)軟性。
伺服驅(qū)動用SiC mosfet
隨著自動化程度的提高，對伺服電機(jī)的需求也相應(yīng)增加。他們將精確運(yùn)動控制與高扭矩水平相結(jié)合的能力使其非常適合自動化和機(jī)器人技術(shù)。
英飛凌利用其制造專業(yè)知識和長期經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一種SiC溝槽技術(shù)，其性能高于IGBT，但具有相當(dāng)?shù)聂敯粜裕缍搪窌r(shí)間為2µs甚至3µs。英飛凌mosfet還解決了SiC器件固有的一些潛在問題，例如不需要的電容性開啟。此外，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO247-3封裝中提供了sic mosfet，現(xiàn)在在TO247-4封裝中有更好的開關(guān)性能。除了這些TO封裝外，SiC MOSFET還提供Easy 1B和Easy 2B封裝。
1200伏冷卻系統(tǒng)™ 與相應(yīng)的IGBT替代品相比，MOSFET提供了高達(dá)80%的開關(guān)損耗，其額外的優(yōu)點(diǎn)是損耗與溫度無關(guān)。然而，與IGBT7一樣，開關(guān)動作(dv/dt)也可以通過柵極電阻進(jìn)行控制，從而提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。
圖2:SiC MOSFET簡化了電機(jī)中的逆變器集成
因此，使用Cool SiC的驅(qū)動器解決方案™ MOSFET技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的損耗降低(假設(shè)dv/dt類似)，基于較低的恢復(fù)、開啟、關(guān)閉和開啟狀態(tài)損耗。Cool SiC公司™ MOSFET的傳導(dǎo)損耗也比IGBT低，特別是在輕負(fù)載條件下。
除了整體效率更高和損耗更低之外，由SiC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更高的開關(guān)頻率對動態(tài)控制環(huán)境中的外部和集成伺服驅(qū)動器都有直接的好處。因?yàn)樵诓粩嘧兓碾姍C(jī)負(fù)載條件下，電機(jī)電流的響應(yīng)更快。
在將整流器、斬波器和逆變器集成到單個(gè)模塊中時(shí)，在功率密度和開關(guān)效率方面具有優(yōu)勢，電機(jī)驅(qū)動器還需要閉環(huán)系統(tǒng)才能正確有效地工作。
更具體地說，無論使用何種開關(guān)技術(shù)，都必須有正確的門驅(qū)動器解決方案。柵極驅(qū)動器需要將用于開關(guān)設(shè)備開關(guān)的低壓控制信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)本身所需的高壓驅(qū)動信號。通常，控制信號將來自主機(jī)處理器。由于每種開關(guān)技術(shù)在輸入電容和驅(qū)動電平方面都有其獨(dú)特的特性，因此與合適的柵極驅(qū)動器相匹配是至關(guān)重要的。作為目前使用的所有電源技術(shù)的開發(fā)商和供應(yīng)商，英飛凌為其Si-mosfet、Si-igbt、SiC-mosfet和GaN-HEMTs提供優(yōu)化的柵極驅(qū)動器。
控制回路的最后一個(gè)同樣重要的部分是傳感器，它在電機(jī)和控制器之間提供部分反饋。通常使用電流傳感器來達(dá)到這一目的。英飛凌已經(jīng)開發(fā)出一種霍爾效應(yīng)解決方案，消除了對鐵磁集中器的需要，使其更簡單，侵入性更小。這使它成為完全集成伺服電機(jī)的理想選擇。
森西夫號™ 電流傳感器的范圍，如TLI4971，是差動霍爾電流傳感器，提供高磁場范圍和低偏移值。此外，它們沒有磁滯現(xiàn)象，并且具有良好的雜散場抗擾性。由于采用了無核概念，它們體積小巧，支持高度集成，而超低功耗和功能隔離使它們非常靈活和可靠。
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