为电器马达提供动力

马达类型

近一个世纪以来，感应马达一直是电器行业的动力提供部件。在新型的变频驱动器中，也有许多使用感应马达。但有部分新的电器开始采用更高效、更紧凑轻巧的马达系统。这些新型电器马达实际上可以划分为无刷直流(Brushless DC)马达和开关磁阻(switched reluctance)马达两大系列。

许多家用电器都纷纷转向采用带有变频驱动器的无刷直流马达。这些高效且功能丰富的马达有很高的转矩/重量比。鉴于能源价格的走高和铁价上升，人们对无刷直流马达的兴趣已大幅提高。妨碍这类马达在更多电器中获得广泛采纳的主要原因在于成本较高和驱动器设计比较复杂。不过，现在无刷马达在电器以外应用中的普及正在稳步降低无刷直流马达方案的成本。例如，采用了无刷直流马达的混合动力汽车的流行，将成为未来推动这类马达成本持续降低的主要力量之一。

开关磁阻马达一直广泛用于某些对马达噪声和转矩脉动要求不太严格的机器中，比如真空吸尘器和手动工具等。这类马达的优点包括转矩大、转度高、成本极低。
无刷直流马达和开关磁阻马达都采用 MCU或DSP来合成波形，然后再利用功率开关如Power MOSFET或IGBT加以放大。

驱动器类型

变频驱动器可采用多种不同方式进行设计。最常见的是用于典型三相马达的低频驱动器方案，如图1所示。

图1  梯形波驱动器简单但效率较低

如果需要更高的效率和性能，可采用PWM方案来生成正弦波。要进一步提高效率，可选择如图2所示的空间矢量调制 (Space Vector Modulation) 方案。

图2  空间矢量调制方案可提供最高的电机驱动效率

智能功率模块

最近几年有大量智能功率模块推出，这些模块让微控制器或DSP与马达之间的功率接口更纤小，也更易于设计。与分立器件相比，智能功率模块另外的优点是减小了寄生电感及提高了可靠性，这都得益于模块内所有开关都使用相同的裸片，并便于测试。这些智能功率模块包含了一个驱动电路和附加的保护电路，前者可以直接连接到微控制器的低压TTL 或 CMOS输出。模块内整合了监控结温的热敏电阻、防止上下桥臂意外导通的逻辑电路，死区时间控制电路，以及可以降低EMI的驱动电路等。对模块中的驱动IC进行优化，可以降低功率开关器件的EMI和驱动损耗。图3所示为电器驱动常用的三相驱动模块。其中，FSBS10N60是600V、额定电流3～30A的IGBT模块系列的一款，封装在44mm×26.5mm×5.5mm、带2500VAC绝缘的紧凑型封装中。

图3  智能功率模块FSBS10N60

对于更高的额定功率，可用DBC (直接绑定铜) 绝缘代替上面模块中的陶瓷绝缘。DBC是一种铜-氧化铝-铜 (有时是Cu-AlN-Cu)夹层，它具有出色的热阻和高低温循环可靠性。

设计人员使用这种模块可以节省空间，这一优势使驱动器能够在马达内部轴向安装，因而无需在电机外部使用额外的功率驱动板。

过去数年中，针对马达驱动应用而设计的智能功率模块在家用电器中获得越来越多的运用，同时价格大幅下降。这类模块灵活性非常高，适用于宽广的输入电压和功率范围。

高压桥臂驱动器

另一个让紧凑、低成本的模块能够成为现实，从而彻底变革马达驱动器的新技术，是高压(600V)桥臂驱动器。现代高压桥臂门极驱动器，如飞兆半导体的FAN7382，采用先进的设计减小了高压IC工艺中寄生的源漏电容，从而使驱动器具有足够的稳健性，能承受-9V以上的负电压。这种驱动器优于上一代驱动器相比的地方是，电源电压的正负尖刺不会造成驱动器闭锁和控制信号丢失。而且，匹配传输延迟在50ns以下，使到开关频率可达100kHz或150kHz。

这种IC内增加的共模dV/dt噪声消除电路还有助于减少误导通的可能性，因而提高电源电路的稳健性并使芯片更加紧凑，且无需额外的滤波器元件。这类IC(如FAN 7382)的静态电流较小，故工作温度也较低，从而提高可靠性。采用该技术，可以去掉上几代马达驱动器中非常普遍采用的4个隔离电源，同时在微控制器PCB板与功率开关PCB 板之间也无需光隔离，带来了板面空间和成本的节省。

图4  这种模块可让SRM驱动器沿真空吸尘器设计轴向安装

IGBT-NPT比较 PT

二十多年来，马达驱动器的功率开关器件首选IGBT。在一定的开关频率下，IGBT的选型和设计可以降低损耗。对于马达驱动器，这就意味着有多个IGBT系列。对应某些消费马达，通常采用5kHz左右的开关频率。而许多工业马达应用20kHz左右的开关频率。同时，更高的开关频率还应用在马达控制以外的领域。

IGBT的饱和压降和关断损耗的改进有助于提供可靠性和降低IGBT模块的成本。最近5年来，传统IGBT的能力有了巨大提升，新的NPT(Non-Punch Through)IGBT获得广泛运用。

NPT IGBT看起来类似于传统IGBT或PT IGBT，但制造方式截然不同。NPT IGBT不同于MOSFET或传统IGBT，它采用一块轻掺杂N型基板作为外延区。制造NPT IGBT的晶圆经过P区和背面金属区添加处理，如图5b所示。然后再翻转过来，添加IGBT的其他层。

图5（a）传统IGBT的X截面图

图5（b）NPT IGBT的X截面图

一般来说，NPT IGBT不像传统的IGBT速度那么快，饱和压降 Vce(sat) 也没有那么低。不过，它们往往更稳健，短路或过流条件下的耐受时间更加长，故而广泛用于马达控制应用。此外，如果对这两类IGBT的开关波形进行比较，可以发现NPT IGBT产生的EMI要明显少于PT IGBT。NPT IGBT关断时间的波形基本上是单斜率。另一方面，传统IGBT的下降时间包含了一个dI/dt非常快速的区域，但其后是长长的拖尾，电流下降率非常低，器件损耗很高。在高dI/dt区，传统IGBT产生的EMI很高，可能会影响驱动器电路，通常必需对驱动器电路和功率开关进行隔离。NPT IGBT还有一个优势，就是Vce(sat) 具有负温度系数，这种特性在并联IGBT时十分宝贵。

功率MOSFET

若需要50kHz以上的开关频率，除了IGBT之外，还可以采用同封装的传统MOSFET或Superjuction MOSFET (电荷平衡MOSFET)。Superjunction MOSFET (在业界内的知名品牌，比如飞兆半导体的SuperFET) 大幅改进了功率MOSFET的导通电阻Rds(on)。这种新型的MOSFET面世已有约10年，相比传统的MOSFET，制造起来十分复杂昂贵。然而，它们由随着击穿电压指数增长的Rds(on)变成了线性增长。这让它们在600V及以上的较低功率马达驱动应用中非常具有吸引力。带快速反并联体二极管的传统MOSFET和Superjunction MOSFET特别适用于小于100W的电机驱动。

微控制器和DSP

按照摩尔定律，构成马达驱动器大脑的数字电路随时间稳步发展，功能日益强大。现在，各种低成本的DSP乃至微控制器都能够处理电器马达驱动器电路在计算方面的挑战。此外，DSP和微控制器彼此越来越相似，并专门针对马达控制而设计。

最近，低成本8位微控制器已有足够能力进行马达矢量控制，并瞄准电器行业。

综上所述，智能功率模块中每个元件的进步共同实现了成本更低、可靠性更高的模块。低成本功率模块的发展大幅减少了EMI，增强了安全性，并在许多情况下无需光隔离。这些优势反过来又大大降低了马达驱动器的成本、减小其尺寸、增强其可靠性，有助于完成制造更高效率电器的目标。