PI如何简化电机驱动逆变器设计

以下文章来源于PSD功率系统设计 ，作者刘洪

日前，Power Integrations（PI）举办新品媒体沟通会，资深技术培训经理阎金光分享了电机驱动技术的发展和应用趋势，重点介绍了新推出的第二代产品BridgeSwtich-2在设计高效、安静的电机、减少宕机时间等方面的一些优势。

他表示，三相电机要用3个半桥驱动电路来驱动，BridgeSwitch是一个集成了半桥电路的芯片，而常见的IPM（智能功率模块）是把6个开关集成在一个模块中，温升效果不尽如人意。BridgeSwtich-2在第一代产品基础上进行了一些改进，更适合无刷直流电机应用。

01无刷直流电机持续增长，用户要求水涨船高

无刷直流电机市场持续增长主要来自工业类电机应用节能指令的新要求，例如，欧盟计划到2035年节省2000亿美元的能耗，因为大约50%到60%的电能都是由电机损耗掉的，所以必须提高电机的效率，而电机能量变换效率直接与逆变器效率相关。

又如，家电标识方面，要求洗碗机必须增加30%的效率；欧盟ErP要求自2025年开始待机能耗要小于300mW；印度则致力于吊扇50%的节能目标。

从用户角度看，他们期望有更好的产品使用体验，家电工作起来更加安静，暖通空调应用能够对气流进行精确控制；家电设备的宕机时间更少。

而以上这些都对无刷直流电机市场的增长提供了持续的驱动力。

阎金光认为，电机行业有三类企业，一是专门做电机的电机生产商，二是做逆变驱动加上电机的系统集成商，第三类企业是美的、格力等这类终端客户。

电机企业只是把电机成本做好，系统集成商则把电机的效果做到最佳，而终端客户中越来越多的大企业希望降成本，同时做到与其竞品相比具有更多的差异化，以增加其产品卖点。举例说来，如果能够把待机功耗做好，就可以满足ErP的300mW功耗要求，缩短宕机时间，优化散热设计，实现精确的电机控制，并具有更高的效率等等。而BridgeSwitch-2的推出可以满足以上不同客户对成本和性能的目标要求，以最大发挥无刷直流电机在具体应用中的技术优势。

他说，BridgeSwitch™-2 IC适合1马力（750W）的单相或三相电机的驱动。功率更大意味着适用的范围更宽。

02简化散热设计

据介绍，新产品有两种封装的形式，由于加大了功率，很多家用电器设备，包括工业类应用都可以使用这些特有的高效散热的封装，实现无散热片的设计。

新的功率封装以及低热阻的特点优化了器件的温升性能，简化了散热设计。两个不同封装的最大区别是输出功率，分别是紧凑型设计的InSOP-24C封装和高功率电机应用的InSOP-L38封装。这些封装延续了之前PI所有的功率器件优势——底部具有裸露的焊盘，经由回流焊装配工艺后，热量可通过焊盘传导到PCB商，同时低矮的封装也易于实现超薄设计，进而实现驱动器和电机一体化的高功率密度设计。

采用两个管的集成半桥的架构（IHB）使得只使用3个IC即可驱动一个三相电机，三个封装可以均匀分布热量，消除了传统IPM模块方案中常见的集中发热点，使器件整体温度降低30℃以上。而且，不用像IPM模块那样使用6个开关，由于发热集中需要使用成本昂贵且占用空间的散热片；使用3个InSOP-28C封装的BRD2161C实现的三相BLDC电机圆形驱动板可以和电机集成在一起，利用PCB板进行散热，大大节省了空间。同时元件数目非常少，发挥了PI高度集成的优势，提升了可靠性，可达到超过99%的变换效率。

阎金光解释说，电机控制需要非常精确，不同应用的控制算法也不一样。在效率方面，如果效率功率是400W，提升1%就是4W；如果是750W的话就相当于减少了7.5W的损耗。在功率较大的情况下，哪怕是0.01个百分点的效率提升都非常关键，因为这样可以使器件有更好的温升表现。

为此，PI官网给出的PI Expert™软件可优化逆变器的性能并即时计算器件的温升数值，方便工程师做出更好的散热设计。通过逆变器输出功率和效率、热阻、PCB面积可以估算出温升会达到多少度，进而估算出PCB的散热面积，达到最佳散热效果。这样可以在设计前期就对PCB板的布局起到指导的作用。

电机是一个很复杂的系统，涉及硬件和软件，只有两者很好地搭配，才能调教出一个非常高效、安静的电机。而PI除了推出逆变器用到的IC硬件以外，还同时提供调试电机的软件MotorXpert，它使得工程师不必了解繁琐的编程代码，直接通过图形用户界面即可对电机运行参数及特性进行调整，从而大大缩短产品的研发周期，加快产品上市时间。

BridgeSwitch™-2及MotorXpert提供了一个一站式整体逆变器解决方案。利用MotorXpert套件对电机进行调试，根据电机不同的参数，比如不同结构电机中转子的惯性等等，进行精确的算法调整。这种闭环调整涉及电机的启动和不同转速下的效率，都会对变换效率、逆变器温升和电机的噪音有显著的影响。

使用该软件套件的好处在于，方便优化散热设计，可以极少的整体元件数目实现极高的效率的设计，并可以精确控制电机运行；缩短产品上市时间，而新器件也更加易于满足欧盟ErP待机标准，缩短家电设备的宕机时间。

03内置相电流检测功能优化系统性能

阎金光提到，PI一直延续了独创的无感电流检测方式，利用集成的相电流检测（IPH）直接提供相电流信息，在IC内部检测相电流信号，不需要加外部的电流检测电阻，简化了电流反馈电路。这种检测方式不会受外部噪声的干扰，避免影响电机的控制策略，进而影响电机效率，同时省去了电阻和相应的运算放大器电路，进而降低了损耗，减少了整体方案的元件数目。

基于IPH的电流信息检测，提供给MCU后利用软件即可实现无感的电机转子位置信息，再结合BridgeSwitch三相逆变器硬件，即可省去90%的电流反馈电路，并将逆变器的损耗减少10%以上。

此外，相比使用外部电流检测电阻的方案，IPH电流检测波形更加“干净”。在相同的无感FOC控制条件下，使用IPH的BridgeSwitch™-2合成的电流不会像传统分立方案那样出现电流信息失真，这样可以减少噪音对电机控制算法的影响，进而减小了电机噪音，提高了电机效率。

利用相电流信息还可以更加精确地预测电机的维护状态，且兼具减少宕机时间的成本效益。电机长时间运行后，振动会导致电机磨损，影响磁场分布。通过相电流波形就可以知道电机磨损的百分比，判断什么时候需要更换电机。从而提前对即将发生的故障进行“锁定”，对设备进行预知的维护意味着可以缩短设备使用期间的宕机时间。

BridgeSwitch-2的IPH内部检测方式对故障预判的准确度为92.5%，而传统的基于分流器的检测方式因为噪声的影响准确度仅为55%，无法真实判断电机磨损情况。之前业界还没有一种方式可以准确预测电机的好坏。

04进入“睡眠”模式降低待机功耗

阎金光说，进入睡眠模式可以有效降低待机功耗，使用BridgeSwitch™-2的逆变器在使用外部供电情况下效率高达99%。BridgeSwitch-2适用的是高压的无刷直流电机，其母线电压为320V。对于功率变换来讲，母线电压越高损耗越低，但需要逆变器中功率器件具有更高的耐压。

BridgeSwitch™-2内部集成的高压FREDFET适用于这样的应用。逆变器操作除了开关还有驱动电路，需要有外部供电。第二代产品降低了供电电压，兼容现有的IPM模块方案的15V供电电压，同时可以实现更低的导通损耗。除了15V供电外，通常辅助供电电源还需要给MCU供电的3.3V电压。

在待机状态下，微控制器发出指令至辅助电源，将15V输出降至6V，这样就进一步降低了辅助供电电源的损耗。在种情况下，BridgeSwitch™-2即可进入睡眠模式，3个半桥IC的总功耗可以低至10mW以下。节省下来的功耗可以把产品的待机特性做的更好，实现更多待机工况下的功能，比如利用无线通讯模块实现设备的远程控制。

这种利用睡眠指令重新设置功率架构的方式可以非常容易满足ErP低待机功耗标准的要求。

05MotorXpert™ 简化并方便优化设计

据了解，在软件调试方面，通过在MotorXpert软件中的一些设置可以更方便客户完成整体系统的设计，加快设计周期。终端客户可以根据电机特性做一些差异化的软件调整设定。利用软件GUI和接口板调整电机，直接输入一些数字就会看到对应的一些性能变化，针对不同的电机进行性能优化，如静音效果、转速、效率等等。

MotorXpert采用图形用户界面（GUI）来优化电机启动及性能，通过内置示波器可以看到各种波形。很多参数可以在电机旋转期间即时地设定，不需要在MCU上写程序代码，易于使用。一旦电机选好，将软件调好后就可以固化软件，生成一个配置文件供批量生产使用。

除了支持三相电机外，BridgeSwitch™-2还可以只用两个半桥IC支持低成本的单相电机应用，后者相对于三相电机只是噪音高一些，但成本更低，因而各有各的优势。单相电机的算法设计难度在于预估上电期间转子的位置，实现无感的转子定位是一项挑战，而利用BridgeSwitch-2的IPH电流检测，再加上特殊的算法，即可实现无感的单相电机逆变器应用。

06总结

阎金光最后表示，作为电机驱动的完美解决方案，BridgeSwitch一直以来都在满足新兴市场应用的要求。BridgeSwitch™-2和MotorXpert简化了电机设计、增加了效率、降低了空载功耗，完美适用于高达1马力功率的电机应用，包括冰箱压缩机、暖通空调、洗碗机、油烟机热泵、循环泵、吊扇、滚筒洗衣机、研磨机、搅拌机等。

使用MotorXpert的整体解决方案简化了设计，可驱动单相及三相电机；硬件连接的保护特点简化了对软件的依赖，加快了产品入市时间；IPH不占用MCU资源，可以在不需要MCU介入的情况下保护逆变器和系统，实现更加简单、更加精确的电流信息检测。

他透露，目前PI已提供量产订单及样品，InSOP-28C封装器件将于2024年第二季度末上市。