無刷直流（BLDC）電機(jī)設(shè)計(jì)：新起點(diǎn)
前言
無刷直流電機(jī)(BLDC)設(shè)計(jì)很復(fù)雜。在大量的MOSFET、IGBT和門極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合中開始選擇電子器件(舊的起點(diǎn)) 是茫然無助的。
安森美(onsemi)提供幫助，帶來一個(gè) "新的一階近似值起點(diǎn)"，提供與開關(guān)（N-FET或IGBT）相匹配的門極驅(qū)動(dòng)，更接近客戶的最終決定，并跨越了 "舊的起點(diǎn)"——看似無止境的產(chǎn)品系列。這包括5個(gè)全面的表格，包含的電機(jī)電壓有：12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V和650 V，最高可達(dá)6 kW。
圖1
無刷直流電機(jī)(BLDC)
無刷直流（BLDC）電機(jī)具有許多優(yōu)于有刷永磁直流（PMDC）電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，特別是更高的可靠性，幾乎無需維護(hù)，更低的電氣和聲學(xué)噪聲，更好的熱性能，更高的速度范圍，以及更高的功率密度。一個(gè)典型的BLDC電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用永久磁鐵，在定子上使用三個(gè)電樞繞組（U、V、W）。一個(gè)微控制器（MCU）實(shí)施各種控制和調(diào)制方案（梯形、正弦、帶有SVM的FOC、DTC等）中的一種，以策略性地給電機(jī)繞組通電。 這就產(chǎn)生了電磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鐵和定子繞組之間產(chǎn)生相互作用力。 如果操作得當(dāng)，這種相互作用力可以精確控制電機(jī)的速度、扭矩或所需方向的功率。
圖2展示了一個(gè)典型的三相BLDC電動(dòng)機(jī)的框圖。MCU執(zhí)行控制和調(diào)制方案固件，它對(duì)其PWM外設(shè)發(fā)出指令，以向三個(gè)半橋門驅(qū)動(dòng)器輸出六個(gè)協(xié)調(diào)占空比。 這三個(gè)驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)輸出橋中六個(gè)功率MOSFET的動(dòng)力轉(zhuǎn)向，給下橋（LS）和上橋（HS）U、V和W MOSFET通電。 這些通常是N-溝道MOSFET，額定電壓為電機(jī)電壓的1.5~2.0倍，最高可達(dá)300 V。在300 V以上，N溝道MOSFET通常被IGBT取代，因?yàn)樗鼈兊墓β市阅芨摺?/p>
MCU可以通過FAN4852 CMOS運(yùn)算放大器（9 MHz典型帶寬）測(cè)量流過每個(gè)繞組的電流，且可選擇用霍爾效應(yīng)傳感器反饋評(píng)估轉(zhuǎn)子的角度位置?；蚩蓪?shí)現(xiàn)一個(gè)無傳感器的架構(gòu)，但需要更多的處理開銷。RSL10 BLE可用于資產(chǎn)跟蹤、空中固件更新（FOTA）、功能選擇/調(diào)整和遙測(cè)數(shù)據(jù)收集。
圖2
BLDC 表 #1：12 V 和 24 V（N-FET）高達(dá) 1.1 kW
下表1列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”，為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，12 V的功率從93 W 至372 W， 24 V的功率從186 W至1.1 KW。
表1
BLDC 表 #2：48 V 和 60 V（N-FET）高達(dá) 1.5 kW
下表2列出了“新的一階近似值起點(diǎn)”， 為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，48 V的功率從186 W到1.5 kW，60 V的功率從186 W到1.5 kW。
表2
BLDC 表 #3：48 V 和 60 V（N-FET）高達(dá) 3 kW
下表3列出了 “新的一階近似值起點(diǎn)”，為N溝道MOSFET提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，120 V的功率從186 W到為1.8 kW， 200 V的功率從186 W到 3 kW。
表3
BLDC 表 #4：300 V 和 400 V（IGBT）高達(dá) 6 kW
下表4列出了“新的一階近似值起點(diǎn)” 為IGBT提供匹配的BLDC門極驅(qū)動(dòng)，300 V的功率從372 W到4.5 KW， 400 V的功率從372 W 到6 kW。
表4
BLDC 表 #5：300 V、400 V 和 650 V (IPM) 高達(dá) 6 kW
下表5列出了集成功率模塊（IPM）的“新的一階近似值起點(diǎn)”，其中，門極驅(qū)動(dòng)器和IGBT被集成到一個(gè)易于使用的模塊，300 V的功率從372 W到 4.5 KW，400 V的功率從372 W到 6 kW，和 650 V的功率從 372 W 到 6 kW。
表5
安森美提供了一個(gè)很好的在線工具，用于構(gòu)建帶有 IPM（集成功率模塊）的 BLDC。用戶輸入 15 種工作條件，該工具會(huì)生成多個(gè)詳細(xì)的分析表以及 12 個(gè)捕獲關(guān)鍵熱和功率性能的圖表（圖 3）。
圖3
BLDC 表 #1 - #5
BLDC很復(fù)雜，從頭到尾有數(shù)百個(gè)決定要做。例如，如果您有3個(gè)不同的客戶；a、b和c（圖1），從相同的 "起點(diǎn)"（24 V，1 1/4hp電機(jī)）開始，當(dāng)所有3個(gè)客戶瀏覽了他們各自的決策樹時(shí)，他們的最終設(shè)計(jì)將完全不同。這是因?yàn)槊總€(gè)客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護(hù)、使用壽命等的門檻。因此，建立的門極驅(qū)動(dòng)與開關(guān)（MOSFET/IGBT）匹配表不可能對(duì)每個(gè)客戶都合適。如果我們嘗試，可能對(duì)一個(gè)客戶是適用的，而對(duì)另外999個(gè)客戶則不適用。然而，我們可以基于智能工程的考量做出一些合理的假設(shè)，并產(chǎn)生一個(gè) "一階近似值"，它介于交給客戶開關(guān)和門極驅(qū)動(dòng)器組合（舊的起點(diǎn)：你是自己的）與客戶的最終決定之間。
一階近似工程考量
1）成本：我們力求篩選出最低成本，同時(shí)滿足以下考量。
2) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：選擇梯形（又名 6 步控制）換向是因?yàn)樗目刂葡鄬?duì)簡(jiǎn)單并產(chǎn)生高效和高峰值扭矩。由于在任何時(shí)候只有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，因此每個(gè)開關(guān)的“導(dǎo)通時(shí)間”占空比為 33%。
3) PWM 占空比： PWM 頻率為 15 kHz。這是大多數(shù) 6 kW 以下 BLDC 的典型情況。
4) 門極驅(qū)動(dòng)器： 結(jié)隔離門極驅(qū)動(dòng)器。這些表格不包括電隔離。
5) 溫度：環(huán)境溫度 85 ℃。
6) 門極驅(qū)動(dòng)計(jì)算：額定門極驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方法是將 Q G(TOT) (nC) 除以開/關(guān)時(shí)間 (ns)。我們?yōu)?N-FET 選擇 50 ns 開/關(guān)，為 IGBT 選擇 200 ns。
7) N-FET 結(jié)溫：對(duì)于表面貼裝封裝（無散熱器）的(T j ) 由 T j = P DISS x R θJA + Ambient 計(jì)算，在最大額定 T j以下至少留有 25 ℃的余量。
1. 其中：
i. R θJA = 結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻
8) IGBT 結(jié)溫：帶散熱片的通孔封裝的IGBT 結(jié)溫 (T j) 計(jì)算公式為 T j = P DISS x (R θ JC + R θ CS + R θ SA )+ 環(huán)境，在最大額定 T j以下至少留有 50 ℃的余量。
1. 其中：
i. RθJC = 結(jié)到殼的熱阻
ii. RθCS = 殼到散熱片的熱阻
iii. RθSA = 散熱片到環(huán)境的熱阻
9） N-FET 功耗： I PHASE 2 (A) x R DSON（歐姆）。
10) IGBT 功耗：開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗 + 二極管損耗
1. 其中：
i. 開關(guān)損耗 = E ts (J) x PWM 頻率 (Hz)
ii. 導(dǎo)通損耗 = I PHASE (A) x V CE(SAT) (V)
iii. 二極管損耗 =（開關(guān)損耗 + 導(dǎo)通損耗）x 0.25
11) 額定開關(guān)電壓： N-FET V (BR)DSS和 IGBT V CES = 2-3x 電機(jī)電壓
12) 額定開關(guān)電流： N-FET I D和 IGBT I C = 3 x I PHASE。
13) 電機(jī)相電流： I PHASE = 1.23 x P OUT / V BUS
1. 其中：
i. IPHASE = 電機(jī)相電流, 安培
ii. POUT = 逆變器到電機(jī)的電功率輸出
iii. PF = 電機(jī)功率因數(shù)，0.0 – 1.0，1.0 是理想的（我們假設(shè)為 0.85）
iv. VBUS =電機(jī)總線電壓、VDC 或 24 V
v. MI = 調(diào)制指數(shù)，0.0 – 1.0，典型值為 0.9（我們假設(shè)為 0.9）