電機(jī)控制在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的戰(zhàn)略作用。然而，能源消耗正成為一個(gè)主要問(wèn)題，開(kāi)發(fā)商和零部件制造商正在加緊努力優(yōu)化工業(yè)電動(dòng)機(jī)?的功率效率、成本和性能。

在 PowerUP Expo 的電機(jī)控制趨勢(shì)和觀點(diǎn)小組會(huì)議上，五位行業(yè)專(zhuān)家分享了他們的觀點(diǎn)，概述了戰(zhàn)略和方法的異同。?

以寬帶隙推動(dòng)新機(jī)遇

作為硅基器件的替代品，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料在電機(jī)控制應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。主要優(yōu)點(diǎn)包括更高的能效、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更高的可靠性、更低的功率損耗、更小的尺寸和更輕的重量。?

碳化硅?

在任何解決方案中，主動(dòng)冷卻以管理半導(dǎo)體損耗是性能和可靠性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，最大限度地減少損耗可能會(huì)改變游戲規(guī)則。英飛凌科技公司 SiC 高級(jí)總監(jiān) Peter Friedrichs 表示：“有了寬帶隙，您只需提高可靠性、消除散熱器和制作非常緊湊的設(shè)計(jì)，就可以完全消除損耗。” “這些是我預(yù)見(jiàn)到的一些中斷，我認(rèn)為未來(lái)在實(shí)際設(shè)計(jì)中也會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)。”?

Friedrichs 以 Infinitum Electric 推出的全新一體化物聯(lián)網(wǎng)電機(jī)控制解決方案為例。“他們完全消除了電機(jī)中的重金屬部件，并用 PCB 代替它們。最后，它是一個(gè)非常緊湊和輕便的解決方案，具有非常低的電感和高開(kāi)關(guān)速度，但對(duì) dV/dt 沒(méi)有限制。” 在這里，SiC 是一種使能元素。?

Friedrichs 提出了與實(shí)際實(shí)施 SiC MOSFET 相關(guān)的三個(gè)熱門(mén)話題和挑戰(zhàn)。第一個(gè)是一般的 SiC MOSFET 或 WBG 開(kāi)關(guān)的短路性能。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：它真的是驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的一個(gè)障礙點(diǎn)，“因?yàn)槲覀儽仨毥邮?SiC MOSFET 的短路性能……遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)今 IGBT 的性能”？那么有必要在設(shè)備層面解決嗎？?

第二個(gè)主題是過(guò)濾后的輸出。“今天，您已經(jīng)可以將輸出濾波器添加到基于硅的逆變器中，然后為電機(jī)獲得許多潛在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴辉儆?dV/dt 限制，也不需要短路，”Friedrichs 說(shuō)。盡管如此，“硅世界中的濾波器非常龐大且昂貴，而 SiC 或 WBG 可能非常小。它可能會(huì)迎來(lái)復(fù)興。”?

現(xiàn)在WBG功率器件已經(jīng)面市，電機(jī)技術(shù)前沿會(huì)不會(huì)有更多的創(chuàng)新，在驅(qū)動(dòng)逆變器中培育出SiC或GaN？弗里德里希斯給出了肯定的回答，他說(shuō)他正在尋找用于緊湊型解決方案的高速電機(jī)、多極電機(jī)和磁阻電機(jī)技術(shù)的方向。?

氮化鎵?

許多人錯(cuò)誤地認(rèn)為在無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用 GaN 器件沒(méi)有任何好處。EPC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和應(yīng)用總監(jiān) Marco Palma 表示：“這不是真的，因?yàn)樗哂型黄菩詢(xún)?yōu)勢(shì)，例如更平滑的開(kāi)關(guān)、提高 PWM 頻率和非常小的死區(qū)時(shí)間。”?

此外，GaNFET 和基于 GaN 的集成電路的開(kāi)關(guān)速度更快，“如果你有更高的開(kāi)關(guān)頻率，你可以省去電解電容器并降低電機(jī)損耗，”P(pán)alma 說(shuō)。還實(shí)現(xiàn)了更高的扭矩/安培比。“這意味著您可以通過(guò)將逆變器集成到電機(jī)內(nèi)部來(lái)提高逆變器和電機(jī)系統(tǒng)的效率，并減少系統(tǒng)尺寸和重量。”?

當(dāng)被問(wèn)及未來(lái)趨勢(shì)時(shí)，Palma 表示他不確定傳統(tǒng)的三相兩電平逆變器是否會(huì)成為中長(zhǎng)期的解決方案。為了做好更充分的準(zhǔn)備，EPC 越來(lái)越多地與大學(xué)和選定的客戶(hù)合作，并為更高電壓尋找合適的解決方案。“這可能有兩種不同類(lèi)型的拓?fù)洌热缍嗉?jí)，在其他一些情況下，多相電機(jī)不僅僅是三相[電機(jī)]。我們將在 2022 年看到越來(lái)越多的情況發(fā)生。”?

實(shí)時(shí)控制監(jiān)控

實(shí)時(shí)控制使電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電站和太陽(yáng)能解決方案等應(yīng)用變得更加高效、可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。但什么是實(shí)時(shí)控制？運(yùn)行實(shí)時(shí)控制應(yīng)用程序需要什么？?

德州儀器 C2000 實(shí)時(shí)微控制器業(yè)務(wù)部總經(jīng)理 Matt Watson 表示：“這是關(guān)于以盡可能最快的方式收集、處理和處理數(shù)據(jù)。” 主要組件是具有一系列選項(xiàng)的控制系統(tǒng)，從數(shù)字實(shí)時(shí) MCU 到集成驅(qū)動(dòng)器，再到模擬控制器和 DC/DC 控制器。還有其他貢獻(xiàn)者：傳感（例如，ADC、溫度、電流和位置傳感器、運(yùn)算放大器、比較器和隔離）、驅(qū)動(dòng)（例如，具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的 GaN FET、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、DAC、模擬驅(qū)動(dòng)器和柵極驅(qū)動(dòng)器，隔離）和通信（例如，高速接口，隔離）。?

“實(shí)時(shí)控制并不是一個(gè)新話題，但考慮到圍繞 [提高] 能源效率和減少全球排放的強(qiáng)度，它正在顯著加速，”沃森說(shuō)。?

實(shí)時(shí)控制的第一個(gè)好處是提高了性能和效率。“我們有幾個(gè)領(lǐng)域，電機(jī)的低延遲和高吞吐量可以實(shí)現(xiàn)更平滑的扭矩控制，”Watson 說(shuō)。隨著控制器的更高處理為數(shù)學(xué)密集型函數(shù)留出更多時(shí)間，死區(qū)補(bǔ)償也得到了改善。?

另一個(gè)性能優(yōu)勢(shì)來(lái)自重量和尺寸，因?yàn)椤案p的重量意味著更少的功率，”Watson 說(shuō)。WBG 材料還有助于實(shí)現(xiàn)更小的電機(jī)和更高的效率。?

下一個(gè)好處是可持續(xù)性和可靠性。“實(shí)時(shí)改善了電機(jī)和控制器之間的配對(duì)，并且……您對(duì)故障的響應(yīng)速度越快，您可以快速采取的行動(dòng)就越多，”Watson 說(shuō)。“您可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，不僅可以提高效率，還可以提高耐用性和使用壽命。” TI 表示，其 C2000 業(yè)務(wù)部門(mén)在改善電機(jī)生命周期和性能方面進(jìn)行了大量投資。?

負(fù)擔(dān)能力的好處也很重要。“隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，我們?cè)谡麄€(gè)子系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用以減小尺寸，并且存在集成因素，將更多的系統(tǒng) BoM 帶入不同的子系統(tǒng)，”Watson 說(shuō)。?

Watson 表示，實(shí)時(shí)控制適用于所有應(yīng)用，但伺服應(yīng)用是一個(gè)重要領(lǐng)域，“其中精度、準(zhǔn)確度和平穩(wěn)運(yùn)行是關(guān)鍵，并且非常重視實(shí)時(shí)”。在汽車(chē)領(lǐng)域，仍然需要圍繞效率（例如重量、續(xù)航里程）進(jìn)行大量創(chuàng)新。“我們花費(fèi)大量時(shí)間的領(lǐng)域是內(nèi)部控制回路，即處理能力、整個(gè)信號(hào)鏈的精度和延遲。”?

Watson 總結(jié)道：“我們已經(jīng)討論了很多關(guān)于使 GaN 和 SiC 具有高開(kāi)關(guān)頻率、高 PWM 精度的問(wèn)題。這需要傳感端的終端輸入具有相同水平的精度，以及越來(lái)越多的可配置性。這些是我們花費(fèi)大量時(shí)間嘗試微調(diào)的領(lǐng)域，以確保我們可以喂飽野獸。”?

運(yùn)行高效電機(jī)控制

據(jù)電力和自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商ABB集團(tuán)稱(chēng)，目前運(yùn)行中的許多工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（約3億個(gè)）效率低下或消耗的能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)必要水平，導(dǎo)致了巨大的能源浪費(fèi)。如果用優(yōu)化、高效的設(shè)備取代這些系統(tǒng)，收益可能會(huì)使全球電力消耗減少多達(dá)10%。反過(guò)來(lái)，這將占實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》確立的2040年氣候目標(biāo)所需溫室氣體減排量的40%以上。

克里斯托夫·鮑姆加特納（Christoph Baumgartner）說(shuō)：“我們的主要關(guān)注點(diǎn)是大容量消費(fèi)應(yīng)用和汽車(chē)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，需要大量的實(shí)際技術(shù)來(lái)提高磁場(chǎng)定向控制或其他無(wú)傳感器技術(shù)的效率，并真正找到以最高效率和最低成本運(yùn)行壓縮機(jī)電機(jī)的算法。”，微芯片技術(shù)的嵌入式解決方案工程師。“我們提供廣泛的硅解決方案和開(kāi)發(fā)工具組合。”

這家總部位于亞利桑那州的公司專(zhuān)注于其8位、16位和32位微控制器的效率，并“嘗試將盡可能多的功能與A-D轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和PWM的正確外圍模塊集成，以具有更低的BoM和更高的可靠性，”鮑姆加特納說(shuō)。

加快上市時(shí)間對(duì)任何組織都至關(guān)重要。為此，Microchip開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。其motorBench開(kāi)發(fā)套件旨在幫助電機(jī)控制工程師識(shí)別電機(jī)參數(shù)、生成代碼、調(diào)整控制器參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)快速原型。

Microchip還專(zhuān)注于算法，并于2021 6月推出了零速/最大轉(zhuǎn)矩（ZS/MT）控制算法，這是無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法的一種新變體，使無(wú)傳感器控制技術(shù)能夠在高轉(zhuǎn)矩或低速電機(jī)控制應(yīng)用中采用。

當(dāng)被問(wèn)及感應(yīng)式位置傳感器相對(duì)于現(xiàn)有霍爾效應(yīng)和磁性傳感器的優(yōu)勢(shì)時(shí)，鮑姆加特納說(shuō)，它們“可以在非常惡劣的環(huán)境中工作得很好。”雖然感應(yīng)式傳感器已經(jīng)有相當(dāng)一段時(shí)間了，“客戶(hù)有顧慮，所以我們必須在現(xiàn)實(shí)世界的例子中展示其性能。”該技術(shù)正在改進(jìn)，微芯片聲稱(chēng)在機(jī)器人手臂方面取得了良好的效果。“與寬帶隙等其他技術(shù)一樣，客戶(hù)需要被新技術(shù)所說(shuō)服，”他總結(jié)道。

減少開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗

電力電子市場(chǎng)不斷尋求提高電源轉(zhuǎn)換器的效率并降低成本。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是可靠且經(jīng)濟(jì)地降低開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗。位于加利福尼亞州圣何塞的 Pre-Switch 使用人工智能來(lái)連續(xù)調(diào)整開(kāi)關(guān)系統(tǒng)內(nèi)元件的相對(duì)時(shí)序，以迫使諧振抵消電流和電壓波形，從而最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗。?

當(dāng)晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，到達(dá)下一個(gè)工作狀態(tài)所需的過(guò)渡時(shí)間很短，但它不是瞬時(shí)的，會(huì)引起能量損失（開(kāi)關(guān)損耗）。開(kāi)關(guān)損耗占功率轉(zhuǎn)換器損耗的很大一部分。?

2020 年，Pre-Switch 開(kāi)始出貨其 200kW CleanWave 評(píng)估逆變器，并聲稱(chēng)在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用三個(gè)分立的低成本 35mΩ SiC FET 晶體管在 100kHz 時(shí)的效率超過(guò) 99.3%。“我們預(yù)計(jì)效率將接近 99.5%，”P(pán)re-Switch 的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人 Bruce Renouard 說(shuō)。“我們已經(jīng)解決了 dV/dt 問(wèn)題，因?yàn)槲覀兊?a href="http://www.xsypw.cn/tags/電容/" target="_blank">電容電感器放置在開(kāi)關(guān)上。”?

預(yù)開(kāi)關(guān)控制器逐周期分析多個(gè)輸入，實(shí)時(shí)調(diào)整到小型強(qiáng)制諧振晶體管以實(shí)現(xiàn)最佳軟開(kāi)關(guān)。Pre-Switch AI 算法可處理系統(tǒng)溫度、設(shè)備退化、輸入電壓變化和電流突變波動(dòng)的變化。?

Renouard 還概述了他所謂的低失真正弦波輸出。“這是因?yàn)槲覀兊拈_(kāi)關(guān)頻率是大多數(shù)人的 10 倍，而開(kāi)關(guān)損耗沒(méi)有下降。這提供了非常平滑的輸出的能力。在大多數(shù)情況下，您甚至不再需要輸出濾波器，因?yàn)槟浅＝咏冋也ā?

“我們還提供了減少同一開(kāi)關(guān)所需的碳化硅數(shù)量的能力，因?yàn)楝F(xiàn)在，您的開(kāi)關(guān)損耗已從等式中有效消除，”Renouard 補(bǔ)充道。“這意味著您的設(shè)備只需要處理傳導(dǎo)損耗。通過(guò)快速切換，您可以顯著減小直流電容器的尺寸。”?

Pre-Switch 預(yù)計(jì)將于 2021 年第一季度推出下一代 200 kW CleanWave2 逆變器參考平臺(tái)。?

Pre-Switch 技術(shù)擴(kuò)大了電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的范圍，包括電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)船和其他船只。Renouard 表示，基本上，該公司專(zhuān)注于 50 kW 及以上的應(yīng)用。“我們的功率越高越好。我們已經(jīng)完成了高達(dá)兆瓦的設(shè)計(jì)。總體而言，我們專(zhuān)注于需要電池的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兪悄壳罢嬲枰岣咝实膽?yīng)用，而我們主要專(zhuān)注于電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。”?

Renouard 詳細(xì)介紹了參與計(jì)劃和商業(yè)模式，他說(shuō)：“我們的目標(biāo)不是成為最終客戶(hù)的逆變器供應(yīng)商，而是提供我們的技術(shù)和許可或出售這些產(chǎn)品，以便他們加快上市時(shí)間。我們正在銷(xiāo)售硬件、許可軟件和芯片。”?

計(jì)算技術(shù)將繼續(xù)成為電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)力，Renouard 表示，相信我們將看到更多非傳統(tǒng)架構(gòu)，因?yàn)椤皳碛?50 年歷史的架構(gòu)和晶體管不一定是讓自己脫穎而出的唯一途徑。” 他補(bǔ)充說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法將繼續(xù)變得更好，但我認(rèn)為這將與計(jì)算機(jī)控制方面的創(chuàng)新以及我們?cè)诳刂茖?shí)際開(kāi)關(guān)技術(shù)中我們喜歡稱(chēng)之為 AI 的創(chuàng)新相結(jié)合。”?

審核編輯 黃昊宇