更高效電機驅動的基本挑戰和解決方案

摘要：本文針對汽車和電機行業介紹能夠減緩C02增長速度的挑戰和有效解決方案。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/276351.htm

關鍵詞：電機；電機驅動；電力系統

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.004

根據OICA（世界汽車工業國際協會），人類活動導致氣候變化可能是21世紀人類社會面臨的最大挑戰，而CO₂是一個主要副產物。C02并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會各界和各行各業做些積極的事情來控制CO₂對氣候變化的影響。世界資源研究所關于全球資源C02排放量的數據表明16%來自機動車輛、44%來自發電和加熱、40%電力由工業和消費電子電機消耗。本文針對汽車和電機行業介紹能夠減緩C02增長速度的挑戰和有效解決方案。

汽車：車輛電氣化

減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少CO₂排放量。每年都投入幾十億美元研發經費，研究替代燃料來源以及如何改進傳統的內燃機。長期挑戰包括生產周期的長時間（也就是5-7年）概念，支持新架構、可持續發展、容易獲得，且價格可行的替代燃料來源。使用新燃料并不重要，因為車輛設計需要滿足預定的質量和性能標準。近期挑戰包括減少動力系統的重量和尺寸并實現車輛電氣化。車輛電氣化是將機械系統替代為電氣系統，以及電動和混合動力驅動電機。實例包括選擇較小電機，輔以電動增壓器、電動助力轉向、電動水泵、電驅動空調和電氣推動系統。解決這些挑戰有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產CO₂排放量更少的車輛。

工業和消費電子：感應電機到變頻電機（ECM、無刷式）

能夠減少電力消耗的更高效電機有助于減少CO₂排放量。人們在不斷研究更節能的氣冷和水冷系統。挑戰包括長壽命設計（8.15年無故障壽命）、重點關注可再生、替代能源的研發投資、以及能夠最大程度地提高各種電機效率的復雜控制和變頻驅動。面臨的挑戰和機遇是尋找合適的應用，繼續使用目前占全球已安裝電機90%的可靠感應電機，并使用更高效電機（包括風扇和泵），來循環和冷卻空氣/水。風扇趨勢包括電子整流電機（ECM）或無刷直流（BLDC）電機，以及專業開關磁阻（SR）電機。對變頻電機不斷增長的需求可以節省電機消耗電力的約30%，或者節省全球所消耗電力的12%。更高效電機有助于降低CO₂放的增長率。最終影響趨勢的解決方案和平衡

電力系統設計人員必須克服很多挑戰才能生產出耐用、可靠、高效的電機驅動。在汽車和工業/消費電子應用中，環境和應用條件都很嚴峻，并且總擁有成本必須經過嚴格控制。例如，汽車機架式電動助力轉向系統可能遇到超過100℃的環境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且會接觸石油產品和鹽水噴霧，同時要求提供150A或更高的電機相電流，而損耗最小。家用電器、工業電機和泵都是針對放置于幾乎沒有強制氣流外殼中的設計和電路。高效電機將不同的電機技術、復雜的控制、熱機械創造性設計、新封裝和新硅技術融合到功率半導體中。若電源結構和工作條件（包括電源電壓、轉速、負載轉矩和溫度）已定義好，則效率決定因素包括電機技術類型、不同脈寬調制（PWM）控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

解決方案1：恢復和改進的電機技術

雖然滿載效率評級較高，但是大部分電機不是以滿載條件運轉。哪種電機技術最好？看情況而定。大多數ACIM在75%至9096的額定負載下以最高效率運行。ACIM的轉子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產生，而其磁芯損耗是由鐵轉子和定子中的渦電流和滯后效應導致的。對于通常以峰值幾分之一的負載使用電機的應用而言，通過優化預期負載范圍內的效率，每年節省下來的能量相當于節省電機/控制采購價格的50%。美國能源部（DOE）預計44%的工業電機（記得90%已安裝電機為感應電機）始終以低于其額定負載的40%運行。平均來說，交流感應電機（ACIM）僅提供44%的效率，而BLDC電機通常以65%至90%的效率運行。作為電動汽車牽引電機，圖1比較了ACIM和BLDC的電機效率（實際上，此處為室內永磁交流電機）。由于BLDC電機的永磁轉子結構，BLDC電機不會產生轉子銅損。BLDC電機還具有更高效變速運行的優勢，而在類似負載條件下傳統ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機技術和驅動電機的更復雜控制能夠進一步最大化交流感應電機（ACIM）、正弦電機（即永磁交流和永磁同步電機）和ECM或無刷直流（BLDC）電機的效率。

解決方案2：通過PWM提高效率的方法

理想的電機功率波形可以顯著提高效率。有很多種PWM方法，每種都有利有弊（表1）。連續PWM（CPWM）比如正弦PWM和空間矢量PWM（SVPWM）是指電源電壓波形輸送到電機三相前的調制。非連續PWM（DPWM）是指基于空間矢量PWM的兩相調制，因為電機只有兩相進行PWM，而第三相配合始終“導通”的高側或低側晶體管運行。DPWM產生較低的開關損耗，但會產生施加到電機的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場定向控制（FOC）、變頻驅動（VFD）和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可視為三次諧波注入技術。通常來說，開關損耗和電源電壓波形質量比較表明較低調制下的SVPWM和高調制范圍內的DPWM方法具有優越的性能。綜合恰當的功率半導體器件和恰當的PWM控制方法，從而產生恰當的電源電壓波形，有助于高效推動一種電機技術。

解決方案3：功率半導體器件支持

功率電子設計中一個經常討論的話題是功率模塊和分立功率半導體之間的選擇。有人可能會認為使用分立器件的歷史習慣、物理布局的靈活性以及各個功率半導體廠家提供的廣泛可用部件都是致使功率模塊與分立器件之間爭論不休的因素。此外，從既定分立功率半導體器件轉換到功率模塊需要額外的客戶研發工作。這個選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的3個關鍵因素和對應的產物：

（1）電池/總線互聯、功率級，和電機

效率：

EMI/EMC。

（2）熱堆疊設計

PCB元件到散熱片熱阻：

可靠性、成本和產量。

（3）空間限制

僅僅為了降低成本而替換有效的分立解決方案，從而追求模塊解決方案，通常不是一個好主意。若分立器件不能滿足五個要求中的一個或多個要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個要求是：（1）可靠性；（2）結構緊湊；（3）電氣性能；（4）增值互聯；（5）熱性能。

在電氣、機械和熱領域的交互方面出現關鍵挑戰。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應互聯，逆變器與電機之間的高電流接口，從逆變器到支架結構的穩定機械互聯，以及逆變功率器件和冷卻劑之間的高效熱互聯。冷卻劑或散熱器通常僅僅是熱空氣或高溫金屬。合適的功率模塊有助于解決這些挑戰，同時還能實現各個因素與剛才強調的要求之間的平衡。

對于三相ACIM和BLDC變頻驅動，存在六個驅動三個電機相位的晶體管。大多數線路電壓總線控制是IGBT，因為當線路電壓、功率需求和工作溫度上升時，IGBT具有卓越的傳導性能。線路電壓總線輸入和變頻驅動器通常需要功率因數校正（PFC）級，以便最大化來自電網的功率級。在較低電壓如12V至48V電池/總線電壓下，MOSFET為首選并且是可行的，因為其傳導和開關性能通常超過IGBT。從逆變器電路到電機的理想功率波形可以顯著提高效率。

設計分立器件與棋塊時遇到的電氣挑戰

變頻的主要功能是產生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅動必須體現卓越機電性能（包括高效率）的電機。12V的總線可能需要六個40V額定MOSFET（典型裸片Rds（on）為1.15 mQ），才能實現高電流和高效率運行。或者線路電壓總線和高電流應用可能需要并聯的多個分立IGBT。根據特定的靜態和動態驅動特性來篩選IGBT成為生產之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實現均流控制。若沒有匹配的IGBT，當在高電流應用中每個開關并聯多個部件時，可能出現不想要的熱應力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔匹配IGBT的責任，讓最終用戶無需擔憂。模塊中集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋以改進EMI性能。還包括用于電流感測的精密電流檢測電阻，可提供電流反饋，實現電機控制和過流保護。另外，還有一個溫度感測NTC，用于監控變頻器的發熱情況。

模塊通常直接安裝至電機外殼表面，允許控制PC僅沿模塊一側連接至信號引腳（圖2）。分隔到模塊對面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便PCB上無需存在高電流引線，從而簡化設計和生產。傳熱式直接敷銅（DBC）結構在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500 Vrms電氣隔離。

由于電源連接位于模塊一側并且與控制PCB隔離，設計具有非常低電感的電源連接就成為可能，從而為MOSFET的直流連接濾波和BVDSS的設計留出額外裕量。類似地，由于模塊內包含所有高電流傳導路徑，從VBAT+到GND產生的極低總電阻有助于提高系統效率，允許提高總線電壓利用率，并最大化電機端子可用的電壓。這樣系統設計人員在設計電機時就享有成本優勢。

模塊內部的MOSFET裸片可能位于緊密集成的RC濾波器元件附近，以便進行高效的EMI抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實現開關過渡。

設計分立器件與模塊時遇到的機械挑戰

在采用分立包裝元件開發的變頻器中，比如TO-247、TO-263（D2PAK）或MO-299封裝，存在必須由變頻系統設計人員處理的更多機械接口。包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，還可能由散熱片至下一級組件。這些機械接口與系統的熱性能有密切聯系。在模塊解決方案中，大多數接口都包含到功率模塊結構中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統設計人員處理。遵照Fairchild對表面平滑度和安裝螺釘扭矩（或夾合力）的建議，可在變頻器生命周期內實現卓越的熱性能和振動性能。圖3顯示眾多通過安裝模塊滿足熱性能和振動性能例子中的一個。正確的安裝方法還能夠擴展產品的功率容量。

設計分立模塊時影響可靠性的熱挑戰

與安裝在PCB或IMS上的六個或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡化機械接口設計可獲得極好的熱性能。為了舉例說明，圖4顯示Fairchild FTC03V455A1模塊所有六個MOSFET的結至殼以及典型結至散熱片瞬態熱阻。結至散熱片的熱阻假設為采用30微米膠層厚度，系數為2.1w/（m-K）的導熱材料。

采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，出色的熱性能使得整個變頻器可采用高功率密度的封裝。AP的尺寸修剪為29mm×44mm×5mm，可構成約400 mL總容量的極緊湊變頻組件，包括繼電器、直流連接濾波器元件、控制PCB、散熱片和連接器。工作條件下的功率循環和紋波溫度分析最終明確了使用電源時所需的封裝和焊線應力。

總結

將幾十年的線路驅動交流電機替代為變頻驅動的高效電機是一個節能的、對環境負責的趨勢，由功率半導體器件和現代機器控制技術實現。采用模塊的低成本解決方案順應需要和挑戰，滿足環保、法規和客戶需求。汽車和商用/工業電機行業都在尋求替代能源并創建更高效系統，從而減少傳統能耗并降低CO₂排放率。