電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步打開了許多大門。例如，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，更高的精度、效率和控制在用戶體驗(yàn)和安全、資源優(yōu)化和環(huán)境友好方面提供了許多好處。無刷電機(jī)技術(shù)的引入是提高整體效率的重要一步。

從有刷到無刷的過渡開始于一段時(shí)間之前，并且隨著更多新技術(shù)和系統(tǒng)組件的引入而繼續(xù)發(fā)展。然而，與此同時(shí)，電子元件的新發(fā)展可實(shí)現(xiàn)更好的熱管理、更高的功率密度和小型化，同時(shí)允許以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

使用一流的半導(dǎo)體技術(shù)，低壓和中壓等級(jí)的電機(jī)設(shè)計(jì)可以更高效、更小，并為終用戶提供更強(qiáng)大的功能。在這里，工程師可以選擇不同的半導(dǎo)體解決方案來微調(diào)他們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

終端產(chǎn)品的開關(guān)頻率和熱阻等技術(shù)參數(shù)設(shè)定了對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求。接下來，為了構(gòu)建一個(gè)能夠更好地提高功率密度和減小尺寸的優(yōu)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員必須限度地減少損耗（包括傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗）并優(yōu)化熱管理。

本文重點(diǎn)介紹了創(chuàng)建更緊湊、更高效、性能更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三個(gè)設(shè)計(jì)場(chǎng)所。

功率封裝技術(shù)的改進(jìn)

隨著機(jī)器人和電動(dòng)工具電池電壓不斷提高的趨勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率也在不斷增加。這意味著對(duì)功率半導(dǎo)體在高額定電流、耐用性和延長(zhǎng)使用壽命方面的要求越來越高。解決這些需求的一個(gè)重要場(chǎng)所是新的封裝技術(shù)平臺(tái)，它根據(jù)具體需求提供三種不同的變體（圖 1）。

圖 1這是 TOLL、TOLG 和 TOLT 封裝技術(shù)的廣泛比較。資料：英飛凌

TO-leadless (TOLL) 經(jīng)過優(yōu)化，可處理高達(dá) 300 A 的電流，同時(shí)增加功率密度并顯著減少占地面積。與 D 2 PAK相比，占地面積減少 30% ，高度減少 50%，整體空間節(jié)省 60%，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。

TO 引線鷗翼 (TOLG) 封裝提供與 TO 無引線封裝兼容的封裝。與 TO 無引線相比，鷗翼引線的附加功能可使板載熱循環(huán) (TCoB) 性能提高 2 倍。該封裝在鋁絕緣金屬基板 (Al-IMS) 板上具有出色的性能。

TOLT 是 TOLx 系列中的 O 引線頂部冷卻封裝。通過頂部冷卻，漏極暴露在封裝表面，使 95% 的熱量直接散發(fā)到散熱器，與 TOLL 封裝相比，R thJA 提高了 20%，R thJC提高了 50% 。

三相柵極驅(qū)動(dòng)控制器 IC

新型三相智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 支持使用無刷直流 (BLDC) 或永磁同步 (PMS) 電機(jī)開發(fā)高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些設(shè)計(jì)特別適用于移動(dòng)機(jī)器人、無人機(jī)和電動(dòng)工具應(yīng)用。

圖 2柵極驅(qū)動(dòng)器控制器 IC 可以與微控制器集成在一個(gè)封裝中。資料：英飛凌

通過使用內(nèi)置數(shù)字 SPI 接口的 50 多個(gè)可編程參數(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 具有高度可配置性，可驅(qū)動(dòng)范圍廣泛的 MOSFET，從而產(chǎn)生的系統(tǒng)效率。其他好處包括：

• 減少外部元件和 PCB 面積
• 優(yōu)化效率和電磁干擾 (EMI)
• 使用不同逆變器 FET 的靈活性
• 高精度電流感測(cè)，同時(shí)節(jié)省外部元件
• 更高的動(dòng)態(tài)范圍以提高信號(hào)分辨率
• 提高可靠性和故障檢測(cè)
• 用于提高效率和功率密度的 GaN

在某些情況下，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將電力電子設(shè)備集成到電機(jī)附近或同一外殼內(nèi)。潛在的好處包括提高功率密度、降低物料清單 (BoM) 成本（因?yàn)殡姍C(jī)和電子設(shè)備都可以放置在更小的外殼中）以及由于更高的系統(tǒng)效率而節(jié)省的成本。

通常，散熱和大容量電容一直是集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 (IMD) 的限制因素。轉(zhuǎn)向基于氮化鎵 (GaN) 的設(shè)計(jì)為克服開關(guān)速度和輸出功率之間具有挑戰(zhàn)性的權(quán)衡奠定了基礎(chǔ)。可以通過使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 實(shí)現(xiàn)的更高開關(guān)頻率可帶來眾多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，包括減少大容量電容、降低電機(jī)紋波電流、降低扭矩紋波和減少噪聲。更高的頻率還可以降低電機(jī)溫度。這種結(jié)合導(dǎo)致更高的端到端系統(tǒng)效率改進(jìn)。

在無人機(jī)中，系統(tǒng)效率優(yōu)勢(shì)不僅使設(shè)計(jì)更高效，因?yàn)閾p耗更低，而且體積更小，這是使無人機(jī)更輕、飛行時(shí)間更長(zhǎng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

走向未來

更高的產(chǎn)品集成度使工程師更容易實(shí)施現(xiàn)成的解決方案，從而縮短上市時(shí)間。將高集成度與廣泛的可編程特性相結(jié)合，如在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 中，可帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)靈活性。接下來，新封裝和寬帶隙技術(shù)提供了額外的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，例如：

新的封裝設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化的熱管理，因?yàn)殚_關(guān)損耗總是伴隨著功率開關(guān)中的熱量。
新型寬帶隙器件為更高開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)奠定了基礎(chǔ)，有助于提高精度和尺寸。
要開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員必須利用所有的可用技術(shù)。