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电机逆变器中功率半导体的作用

发布时间:2020-11-03 责任编辑:wenwei

【导读】电动汽车已经塑造了世界,并将继续在各个层面发挥作用。它们的使用范围从简单的家庭功能自动化的小型电机到可以移动山脉的重型电机。现在使用的电动机的数量和种类是惊人的,因此,了解到电动机及其控制系统几乎占全世界用电量的一半,也许并不奇怪。
 
全球约30%的发电量用于驱动工业应用中的电机。按绝对值计算,预计到2040年,世界工业部门的能源消耗量将翻一番。随着人们对能源成本和有限资源在环境和财政方面的认识的提高,提高用电驱动电动机效率的必要性变得更加突出。
 
低压驱动器的要求
 
在低压市场(标准型和紧凑型)中,应用可分为轻型或重型。与驱动器观点的主要区别在于,轻型电机和控制装置通常必须在加速期间(如泵和风扇应用)维持110%的逆变器输出电流过驱动(图1)。重型电机和控制装置通常需要设计成能够承受高达150%额定逆变器电流的过驱动。这种较高的过载电流是由于传送带的加速阶段造成的。
 
电机逆变器中功率半导体的作用
图1:过载能力定义为在110%(轻型/正常负载)和150%(重载)之间加速运行期间高于额定电流的时间。
 
用于驱动器的IGBT7
 
电机驱动系统的独特性和特殊性为IGBT的设计提供了新的途径。有了正确的IGBT技术,就有可能创造出更适合满足这些需求的模块。这是英飞凌采用的最新一代IGBT技术,即IGBT7。在芯片层面,IGBT7采用了微模式沟槽(MPT),其结构有助于显著降低正向电压并提高漂移区的电导率。对于中等开关频率的应用,如电机驱动,IGBT7比前几代产品显著降低了损耗。
 
IGBT7比上一代(IGBT4)提供的另一个改进是自由轮二极管,它也针对驱动应用进行了优化。此外,发射极控制二极管EC7的正向压降现在比EC4二极管的正向压降低100毫伏,具有改进的反向恢复软性。
 
伺服驱动用SiC mosfet
 
随着自动化程度的提高,对伺服电机的需求也相应增加。他们将精确运动控制与高扭矩水平相结合的能力使其非常适合自动化和机器人技术。
 
英飞凌利用其制造专业知识和长期经验,开发了一种SiC沟槽技术,其性能高于IGBT,但具有相当的鲁棒性,例如短路时间为2µs甚至3µs。英飞凌mosfet还解决了SiC器件固有的一些潜在问题,例如不需要的电容性开启。此外,工业标准的TO247-3封装中提供了sic mosfet,现在在TO247-4封装中有更好的开关性能。除了这些TO封装外,SiC MOSFET还提供Easy 1B和Easy 2B封装。
 
1200伏冷却系统™ 与相应的IGBT替代品相比,MOSFET提供了高达80%的开关损耗,其额外的优点是损耗与温度无关。然而,与IGBT7一样,开关动作(dv/dt)也可以通过栅极电阻进行控制,从而提供更大的设计灵活性。
 
电机逆变器中功率半导体的作用
图2:SiC MOSFET简化了电机中的逆变器集成
 
因此,使用Cool SiC的驱动器解决方案™ MOSFET技术可以实现高达50%的损耗降低(假设dv/dt类似),基于较低的恢复、开启、关闭和开启状态损耗。Cool SiC公司™ MOSFET的传导损耗也比IGBT低,特别是在轻负载条件下。
 
除了整体效率更高和损耗更低之外,由SiC技术实现的更高的开关频率对动态控制环境中的外部和集成伺服驱动器都有直接的好处。因为在不断变化的电机负载条件下,电机电流的响应更快。
 
在将整流器、斩波器和逆变器集成到单个模块中时,在功率密度和开关效率方面具有优势,电机驱动器还需要闭环系统才能正确有效地工作。
 
更具体地说,无论使用何种开关技术,都必须有正确的门驱动器解决方案。栅极驱动器需要将用于开关设备开关的低压控制信号转换为开关本身所需的高压驱动信号。通常,控制信号将来自主机处理器。由于每种开关技术在输入电容和驱动电平方面都有其独特的特性,因此与合适的栅极驱动器相匹配是至关重要的。作为目前使用的所有电源技术的开发商和供应商,英飞凌为其Si-mosfet、Si-igbt、SiC-mosfet和GaN-HEMTs提供优化的栅极驱动器。
 
控制回路的最后一个同样重要的部分是传感器,它在电机和控制器之间提供部分反馈。通常使用电流传感器来达到这一目的。英飞凌已经开发出一种霍尔效应解决方案,消除了对铁磁集中器的需要,使其更简单,侵入性更小。这使它成为完全集成伺服电机的理想选择。
 
森西夫号™ 电流传感器的范围,如TLI4971,是差动霍尔电流传感器,提供高磁场范围和低偏移值。此外,它们没有磁滞现象,并且具有良好的杂散场抗扰性。由于采用了无核概念,它们体积小巧,支持高度集成,而超低功耗和功能隔离使它们非常灵活和可靠。
 
 
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