利用封装、IC和GaN技术提升电机驱动性能
发布日期:2023-10-15
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作者：Nenad Belancic，Adam Gozdzicki
电机驱动设计方面的技术进步为我们开启了许多大门。例如在运动控制系统中，更高精度、效率和控制能力给用户体验性和安全性、资源优化以及环境友好性等方面带来了诸多好处。无刷电机技术的引入则是业界朝着全面提升效率迈出的重要一步。
从有刷到无刷的转换已经有很长时间了，随着更多新技术和系统组件的引入，还在继续向前发展。与此同时，电气元件的最新发展也使得更好的热管理、更高的功率密度和小型化成为可能，从而能以更具竞争力的成本执行更复杂的任务。
业界一流的半导体技术能使低中压等级的电机设计更加高效和小巧，并为终端用户提供更强的功能。工程师们可以选择不同的半导体解决方案，来进一步优化电机驱动设计。
终端产品的开关频率和热阻等技术参数为驱动器提出了一定的要求。为了创建一个能够提高功率密度并缩小尺寸的最优设计，设计师必须尽量降低损耗：包括传导损耗和开关损耗，并改善热管理性能。
大功率封装技术改进
伴随着机器人和电动工具中电池电压不断提高的趋势，电机驱动器功率也在不断提高。这就意味着在高额定电流、耐用性和延长寿命方面，对功率半导体的要求越来越高。满足这些要求的一个具有深远意义的场景是新的封装技术平台，它有三种不同的变化，其选用取决于具体需求(参见图1)。
图1：TOLL、TOLG和TOLT封装技术全面比较。来源：英飞凌
经过优化的TO无引脚(TOLL)可以处理高达300A的电流，在大幅减少占位面积的情况下，提高了功率密度。与D2PAK相比，占位面积减小了30%，高度降低了50%，因此总体上节省了60%的空间，使得设计更加紧凑。
带鸥翼的TO有引脚(TOLG)封装，提供了一个与TO无引脚封装兼容的外形尺寸。相对于无引脚式，鸥翼式引脚的额外优点是使得板上热循环(TCOB)性能提高了2倍。这种封装在绝缘铝金属基板(Al-IMS)上的性能非常出色。
TOLT是TOLx系列中采用TO有引脚顶端冷却方式的一种封装。通过顶端冷却，漏极暴露在封装表面，使95%的热量能够直接散发到散热器上，与TOLL封装相比，RthJA提高了20%，RthJC提高了50%。
三相栅极驱动控制器芯片
新的三相智能电机驱动芯片，可以用来开发出采用无刷直流(BLDC)或永磁同步(PMS)电机的高性能电机驱动器。这些设计特别适合于移动机器人、无人机和电动工具应用。
图2：栅极驱动控制器芯片可以与微控制器集成在同一封装中。来源：英飞凌
借助使用内置数字SPI接口的50多个可编程参数，电机驱动器芯片可实现高度可配置，可以驱动各类广泛的MOSFET，从而实现最佳的系统效率。其他优点还包括：
·减少外部元件数量，减小PCB面积
·更优异的效率和电磁干扰(EMI)性能
·在使用不同的逆变器FET方面具有最大的灵活性
·具有高精度的电流检测能力，同时可节省外部元件数量
·更高的动态范围，可进一步提高信号分辨率
·更高的可靠性和故障检测能力
·利用氮化镓提高了效率和功率密度
在某些情况下，重要的设计目标是将功率电子器件集成在靠近电机的地方或同一壳体内。这种设计的潜在好处包括提高功率密度和降低BoM成本，因为电机和电子元器件可以放在一个较小的壳体内，借助系统效率的提升而节省了成本。
通常情况下，散热和大电容一直是影响集成式电机驱动器(IMD)性能的不利因素。通过基于氮化镓(GaN)的设计，为克服开关速度和最大输出功率之间的艰难权衡提供了条件。利用面向场的控制(FOC)，实现了更高开关频率，进而带来许多系统优势，包括减小大电容容量、降低电机纹波电流、降低扭矩纹波和声学噪音等。另外，更高的频率还能降低电机温度。这种组合可以实现更高的端到端系统效率改进。
在无人机中，提升系统效率后，其好处不仅因损耗减少能使设计效率更高，而且体积变得更小，这是无人机变得更轻从而飞得更远的一个关键。
展望未来
更高的产品集成度可以帮助工程师更加容易地实现即买即用型解决方案，从而缩短产品的上市时间。正如电机驱动芯片那样，将高集成度与广泛的可编程功能结合在一起，可以形成竞争性优势和系统灵活性。新的封装和宽带隙技术还能提供额外的电机控制系统优势，例如：
新的封装设计可以提供更优化的热管理性能，因为功率开关的发热总是与开关损耗密不可分。
新的宽带隙器件为更高的开关频率驱动奠定了基础，在提高精度和缩小占位面积方面均大有裨益。
为了开发出最具竞争力的电机控制系统，设计师必须充分利用好所有最新的可用技术。
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