马达设计原理及元件安装需考虑的因素 - 全文

现今的可调速驱动电路都采用变频器来调整输出电流，以满足三相马达的要求。变频器的形状大小通常会受到应用的限制。在许多情况下，电路板与马达靠得很近，而马达构造的高度也会受限。另外，所用高功率半导体器件的物理性质和所选封装的形状，也要求电路板上有足够的位置空间。功率半导体开关工作期间产生的电压、电流交叠会造成损耗，必须将其消除。虽然功率耗散问题可以通过加设散热片而得到改善，但这也会限制半导体器件在电路板上的布局安排。

变频器是达到EcoDesign节能要求的关键技术。美国电力科学研究院（Electric Power Research Institute）的研究表明，采用变频器的马达比无变频器的马达节能多达40%。无论是感应马达、永磁同步马达，还是无刷直流马达，都可由变频器为其产生正弦电流。为此，开关频率必须比变频器的可调输出频率高几个数量级。而经脉冲宽度调制的输出电压则会施加在电感性负载上。因此，输出电流与电压的平均值成正比。开关频率越高，对变频器越有利；而驱动的扭矩波动越小，动态响应性能便更高，噪声也会变得更低。这就要求开关速率快，而开关速率快意味着di/dt和dv/dt的变化率通常都很高。因此，电路寄生就成为一个大问题，设计人员必须努力解决这个问题，才能满足目前和未来的EMC标准要求。

成本是电路布局必须考虑的另一个约束因素。许多情况下，都采用双面电路板。而电路板上的不同区域常常只能使用一种焊接工艺。因此，就提高成本效益而言，表面贴装半导体器件是越来越受欢迎的解决方案。

设计考虑因素
目前，大功率半导体器件(如IGBT和MOSFET)的发展趋势是在提升性能的前提下不断缩小芯片尺寸。减小芯片尺寸能减少器件的寄生电容，从而提高开关速率。因此，深入研究电路板上的关键回路越来越重要。图1为电压源变频器(voltage source inverter，VSI)的两种典型开关工作方式的简化示意电路。在开关频率受限的大电流应用中，IGBT是最受欢迎的器件。上图所示为从高压侧(HS)续流二极管到低压侧IGBT的换流。电流最初是在高压侧二极管和相应反相半桥的IGBT形成的续流通道中。

图1   简化的换向电路

一旦低压侧栅极驱动电路导通了IGBT，就会有短路电流经过高压侧二极管和低压侧IGBT。其结果是二极管电流降低，IGBT电流相应增加(自然换相：1?2)，在开关期间，电感性负载的电流可视为常数。因此，杂散部件与该通道无关。开关速率由低压侧IGBT的导通和半桥的杂散电感来决定。要实现从低压侧IGBT到高压侧续流二极管的反向换流，低压侧IGBT上的压降必须大于直流总线电压，以导通续流二极管。因此，IGBT在与二极管换流(强制换相：2?1)之前必须能同时承受高电压和大电流。

在图1中，电压源变频器的临界电流路径被标为红色阴影，其特征是di/dt变化率高，这个特征也表现在对应的栅极驱动电路上。要保证栅极驱动电路安全的工作，就要最大限度地减小杂散电感。尤其是高压侧栅极驱动电路，存在一个由低压侧二极管和电流通道上的阻性和感性压降所引起的，且幅度超过VS最小允许电压的负压，会导致电路工作异常。

其中一个解决方法是通过增加栅极电阻来降低开关速率，然而这却会大幅增加开关损耗。在这情况下，便需要优化电路板布局，充分利用电压源变频器的整体性能。为了去除功率区和信号区的耦合，两个区域的接地应当分开。栅极驱动器应尽可能靠近IGBT，且不要有任何回路或偏差。微控制器和栅极驱动之间的信号通道不是非常关键的。分立的IGBT管脚引线应尽可能短，以最大限度地减少寄生电容和电感。封装在一起的6个IGBT和栅极驱动器的安排需要周密考虑。此外，散热片上的器件需要配备适当的绝缘片。许多情况下，电路板的边沿都需要有大块的散热片。

为了克服以上约束，最好采用智能功率模块(intelligent power module (IPM)，也称为Smart Power Module(SPM®))。图2所示为一个典型的全封闭模块，它包含一个完整的三相电压源变频器，以及相应的栅极驱动器和保护电路。采用这种模块比分立元件方案节省电路板空间多达50%。尤其是这种模块需要的外接部件极少，在设计上就考虑了EMC的要求。其峰值和平均EMC干扰强度比传统设计低很多。

图2 智能功率模块

与电压源变频器的分立元件方案类似，采用智能功率模块时也要注意外部元件的布局安排。图3所示为针对Motion-SPMTM应用的一些建议。由于电压源变频器的开关速率很快，信号接地和功率接地必须分开。两种接地在15V Vcc电容处互接。Vcc电容和功率接地之间的通道要狭窄，以去除耦合。为防止电涌造成破坏，引脚P与功率接地之间应当有一个低电感电容。另外，由于电压源变频器和马达之间的长引线会造成高压反射，因此一些SPM产品配备了外接栅极电阻来调节开关速率和最大限度地减少反射。

图3  布局建议

图4  模块安装翘曲的夸大示意图

元件安装考虑因素
除TinyDIP/SMD外，SPM的表面都会有一定的翘曲。图4为这种翘曲的一个夸张示意。模块是用一些从表面中间穿出的螺丝紧固在散热片上。如果安装恰当，这种凸状表面能保证有足够的热量从模块传递到散热片。如果紧固螺丝用力不均，就可能在模块内产生应力，导致模块破损或性能下降。建议采用图4所示的螺丝紧固顺序(先按1?2的顺序预紧固，再按2?1的顺序最终紧固)。通常，预紧固扭矩为最大额定紧固扭矩的25%。只要散热片与器件紧贴好了，就可通过SPM的内置热敏电阻获取散热片的温度，从而简化电路板的设计。