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BLDC電機(jī)的使用量正在持續(xù)增長。作為主要市場驅(qū)動(dòng)力之一，工業(yè)類電機(jī)應(yīng)用節(jié)能指令也已提出新要求。

根據(jù)相關(guān)政策，歐盟計(jì)劃到2035年實(shí)現(xiàn)2000億美元的能耗節(jié)省，要求自2025年開始家電設(shè)備待機(jī)能耗需要低于300mW，其中洗碗機(jī)必須增加30%的效率。

印度市場則因氣候炎熱和人口眾多，需要大量使用吊扇，而目前使用的多為低效的單相感應(yīng)電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)50%的能效提升，印度政府正致力于提高能效，計(jì)劃將老式風(fēng)扇更換為BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇。

BLDC電機(jī)的優(yōu)勢不僅在于能效，還包括靜音效果、精確控制和減少設(shè)備宕機(jī)時(shí)間。例如，在暖通空調(diào)應(yīng)用中，BLDC電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)氣流的精確控制，提升用戶體驗(yàn)。同時(shí)，通過預(yù)測電機(jī)壽命，提前更換電機(jī)，可以顯著減少設(shè)備宕機(jī)時(shí)間。

BridgeSwitch™-2 IC是PI近期推出的第二代BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品。相較于第一代，該產(chǎn)品功率輸出大幅提升，能夠滿足1馬力單相或三相電機(jī)的應(yīng)用需求。其次，待機(jī)功耗顯著降低，提高了能源利用效率。此外，產(chǎn)品還引入了可預(yù)測性系統(tǒng)維護(hù)功能，能夠準(zhǔn)確判斷電機(jī)損耗情況，提醒用戶及時(shí)更換，延長了整機(jī)設(shè)備的使用壽命。

圖1 BridgeSwitch™-2 IC應(yīng)用場景

在性價(jià)比方面，新產(chǎn)品通過半橋集成和PCB板散熱設(shè)計(jì)，減少了傳統(tǒng)散熱片的需求，降低了成本。同時(shí)，采用IPH內(nèi)部電流檢測技術(shù)，不僅提升了效率，還減少了外圍元件的數(shù)量，進(jìn)一步節(jié)省了成本。

提升電機(jī)效率與散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，效率是至關(guān)重要的一環(huán)。PI針對功率開關(guān)管的特性進(jìn)行了優(yōu)化，特別是功率開關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)特性進(jìn)行了優(yōu)化，適合電機(jī)類感性負(fù)載的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在高效率下運(yùn)行的同時(shí)，也優(yōu)化了EMI表現(xiàn)。在高功率應(yīng)用中，即使是微小的效率提升，也能顯著降低功率器件IC的溫升，減輕散熱壓力。

在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，這些產(chǎn)品內(nèi)部集成的高壓FREDFET開關(guān)管，可以確保滿足高壓BLDC電機(jī)的使用需求，通常這類高壓BLDC電機(jī)的母線電壓為320V的直流高壓。逆變器由三個(gè)半橋電路構(gòu)成，由輔助供電電源提供15V驅(qū)動(dòng)電壓和3.3V給MCU供電，以執(zhí)行FOC無感控制運(yùn)算。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99%的變換效率，對于750W的系統(tǒng)，損耗僅為7.5W，顯著提升了系統(tǒng)性能。

此外，電機(jī)控制方案支持各種電機(jī)控制算法，包括BLDC電機(jī)控制，通過MCU實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制，包括轉(zhuǎn)速、噪音及波形等參數(shù)的優(yōu)化。這不僅提升了電機(jī)的性能，也為終端客戶提供了更靈活的研發(fā)空間。

為了簡化散熱設(shè)計(jì)，PI還推出了新的功率器件封裝技術(shù)。對于小功率應(yīng)用，沿用了緊湊型設(shè)計(jì)的InSOP-24C封裝，通過回流焊方式實(shí)現(xiàn)PCB板上的散熱。對于如500W和750W系列的大功率輸出應(yīng)用，則推出了適用于高功率電機(jī)應(yīng)用的InSOP-L38封裝，其更大的體積和更低的熱阻，使之能夠處理更高的輸出功率。

BridgeSwitch™-2 IC采用了集成半橋(HB)架構(gòu)。通過每個(gè)半橋單獨(dú)的封裝進(jìn)行散熱，這種布局增加了與PCB板的接觸面積，從而減少了對外加散熱片的依賴。相比傳統(tǒng)的IPM模塊，該方案顯著降低了IC溫度，最高可降低30°C以上，且散熱效果更佳，更適合將逆變器驅(qū)動(dòng)板內(nèi)置于電機(jī)外殼中。

內(nèi)置電流檢測功能與睡眠模式優(yōu)化

電機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器構(gòu)成，其中逆變器采用三個(gè)橋接器件，并通過軟件(MCU)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的開關(guān)控制。在電機(jī)控制中，電流檢測是不可或缺的環(huán)節(jié)。PI采用內(nèi)置電流檢測(IPH)技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的外部電流檢測電阻，顯著降低了逆變器損耗10%以上，同時(shí)改善了溫升表現(xiàn)。

IPH技術(shù)不僅提高了電流檢測的準(zhǔn)確性，避免了噪聲干擾，還產(chǎn)生了更理想的正弦波電流，從而降低了諧波成分，提高了系統(tǒng)效率，并減少了噪音。與傳統(tǒng)的分流器檢測方式相比，IPH技術(shù)不僅節(jié)省了成本，還顯著提升了波形質(zhì)量。

更重要的是，通過精確檢測相電流，可以準(zhǔn)確預(yù)估電機(jī)的壽命。隨著電機(jī)使用時(shí)間的增加，磨損和摩擦?xí)?dǎo)致電流波形畸變。通過監(jiān)測這些變化，可以提前預(yù)知電機(jī)的磨損程度，并在電機(jī)即將失效前進(jìn)行維護(hù)，從而顯著縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。據(jù)測試顯示，使用IPH技術(shù)的預(yù)測準(zhǔn)確度高達(dá)92.5%，而傳統(tǒng)方法僅為55%。

與第一代產(chǎn)品相比，第二代產(chǎn)品將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整為15V，以兼容常見的IPM模塊供電電壓。同時(shí)，這代產(chǎn)品引入了睡眠模式功能，以進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。舉例來說，當(dāng)設(shè)備在30秒或三分鐘內(nèi)不工作時(shí)，MCU會(huì)檢測并指令輔助供電電源降低輸出電壓至6V。此時(shí)，逆變器通過自供電方式繼續(xù)操作，MCU則發(fā)出睡眠指令使構(gòu)成逆變器的功率器件進(jìn)入睡眠模式。

在睡眠模式下，系統(tǒng)功耗顯著降低至小于10mW，遠(yuǎn)低于ERP標(biāo)準(zhǔn)要求的300mW。這一優(yōu)化不僅滿足了嚴(yán)格的功耗要求，還為用戶提供了更好的待機(jī)體驗(yàn)，允許在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)更多待機(jī)功能。

電機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)解決方案

電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)不僅涉及硬件，軟件同樣至關(guān)重要。為簡化開發(fā)過程，PI提供了一套完整的軟硬件搭配解決方案，包括逆變器的IC和MotorXpert電機(jī)調(diào)試軟件。

圖2 總體的逆變器設(shè)計(jì)解決方案

該軟件具有圖形用戶界面，允許用戶手動(dòng)輸入?yún)?shù)以觀察電機(jī)的旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)，包括效率、噪音和電流波形等。通過接口板與逆變器連接，實(shí)現(xiàn)雙向故障傳輸，確保用戶能實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)狀態(tài)。軟件通過PWM控制信號調(diào)節(jié)半橋電路，并利用IPH電流反饋進(jìn)行檢測，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

MotorXpert軟件功能強(qiáng)大，支持單相或三相電機(jī)的啟動(dòng)、停止和實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整。用戶無需停機(jī)即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同工作狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。軟件還提供可視化信息，包括故障顯示和電機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控以及數(shù)字示波器功能，實(shí)時(shí)顯示電流波形。

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)易于使用，無需編程知識(shí)，用戶可直接通過圖形界面設(shè)定參數(shù)。調(diào)試完成后，軟件程序代碼可拷貝至MCU進(jìn)行批量生產(chǎn)。

需要注意的是，該解決方案只支持功能相對來講比較高級的BLDC應(yīng)用，而內(nèi)部集成的高壓FREDFET功率開關(guān)管，使其更適合于高壓的BLDC電機(jī)應(yīng)用。對于設(shè)備功能比較簡單的僅有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的低端應(yīng)用，一些廠商可能選擇將開關(guān)與控制軟件集成到一個(gè)封裝中，但對于高端產(chǎn)品或大型家電市場，仍需依賴MCU來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能控制，這也是BridgeSwitch的主要應(yīng)用范疇。

圖3 BridgeSwitch™-2 IC應(yīng)用場景

BridgeSwitch™-2和MotorXpert的完美搭配非常適用于高達(dá)1馬力功率的電機(jī)應(yīng)用，如冰箱壓縮機(jī)、暖通空調(diào)、洗碗機(jī)、油煙機(jī)熱泵、循環(huán)泵、吊扇、滾筒洗衣機(jī)、研磨機(jī)、攪拌機(jī)等。目前，PI可接受6月底前的量產(chǎn)訂單。InSOP-28C封裝將于2024年第二季度末入市。