全桥直流电动机驱动器的的高性能电源控制

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

近年来，电力电子半导体市场迅速增长，这主要归功于用于电动/混合动力汽车（EV / HEV）和电机驱动器的IGBT器件的销售增长。MOSFET的需求由汽车电气，网络和电信市场驱动，由于5G网络的普及，未来三年的复合年增长率为8.3％。除了对效率的要求越来越严格之外，EV / HEV细分市场在技术上还受到CO2减排目标的驱动。工业领域中新动力系统，电动机和相对控制的开发和创新需要分立的高性能组件。通过提高所创建系统的效率，使用新的复合材料可以满足这一需求。

一切都是“力量”

如今，在电子电源社区中众所周知的是，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）半导体材料显示出优异的性能，相对于普通的硅基器件，允许在更高的电压，更高的温度和更高的开关频率下工作。

Maxim Integrated首席技术官Dave Dwelley表示：“我们可以看到市场显然分为三个部分。”这些细分市场中的每一个都适合不同的半导体材料。大约50伏及以下的低压段非常适合硅器件。III-V半导体类型具有的优势，即GaN，SiC和砷化镓在世界范围内都可以通过其成本结构来克服，它们的制造量与硅的生产量不同，因此它们没有具有相同的成本优势或其他技术问题。

Maxim Integrated首席技术官Dave Dwelley

氮化镓是一个很好的例子，其中实际的内部晶体管具有极高的性能，但是将电流从晶体管中带出并流到电路板上的导体却不如硅。

在非常低的电压下，这些导体将成为主要的电阻，结果，GaN在性能上没有表现出优势。对于低于50伏的电压，硅就是答案。对于50到400伏之间的电压，我们认为GaN被证明是更好的选择，因为在该区域中，寄生效应不会受到太大影响，并且GaN正在迅速获得更好的成本结构。然后，在大约500、600，高达数千伏特的电压下，碳化硅有一个很好的故事可讲。”

在工业系统中使SiC具有优势的一个因素可能是SiC承受“雪崩”条件的能力所代表的，这在感应负载下可能会发生，即使GaN的值得到了改善。

在电机控制和电力控制应用中使用SiC器件目前代表着创新的现实时刻，尤其是在汽车和工业自动化控制领域。

电动机控制IC还有助于执行各种操作，例如选择电动机的正向或反向旋转，选择和调节速度，防止过载，限制或调节转矩以及防止故障。

由于生产技术，创新和技术进步的迅速变化，到2022年，汽车和运输行业应在伺服电机和驱动器的数量和价值方面占据最大的市场份额。伺服驱动器，控制器和电动机在全球范围内也有很高的需求，因为它们可以帮助公司提高生产效率。当前的电动机控制技术涉及使用微电子设备来更好地控制速度，位置和扭矩，并提高效率。

图1：紧凑型4.5V至36V全桥直流电动机驱动器[来源：Maxim Integrated]

对于每种类型的电动机，都有控制，速度和/或转矩控制技术：范围从简单控制直流电动机和通用电动机的电压和电流到使用交流电动机的逆变器，再到无刷电动机中不同相的反馈切换，直至用于复杂步进电机驱动序列的数字电路（图1）。

“检测失速或过载情况，或在不使电动机过热的情况下扭曲电机的每一盎司性能，而不会造成电气损坏，这些都是我们结合使用电动机控制动力总成和一些智能来监视电动机的领域。这样可以确保电动机表现出应用程序期望的行为方式，并确保没有出现任何问题，从而需要采取措施来保护电路或电动机。”

电源设计人员，电池管理系统和电动驱动器经常面临准确测量电流的需求。电流测量是电力电子设备不可或缺的一部分。电流传感器（不要与电流互感器混淆）可以测量直流和交流电流。电流传感器使用最多的技术是闭环霍尔效应或闭环磁通门。通常，无论电源电压如何，功率要求都在30 mA以下。

“霍尔传感器或使用电阻分流器的电流传感器，提供了检测流入电动机的电流的方法-该电流的直流分量和交流分量”，如Dave所说。“不同的电动机和不同的策略需要不同的传感器。电流感应使控制器可以更好地选择如何处理电动机，这就是我们所看到的。Maxim的策略主要基于电阻电流检测。我们有针对该市场的几种电流感应产品，并且随着我们构建越来越复杂的电机控制设备，该功能将内置于电机驱动器中。您将看到越来越多的类似产品。”

任何霍尔效应检测设备的设计都需要能够响应通过电子输入接口检测到的物理参数的磁性系统。霍尔效应传感器检测磁场，并根据电子系统的要求产生适当转换为标准的模拟或数字信号（图2）。

电机控制活动是许多工业领域的一部分，尤其是新兴的电动汽车市场。“使电动汽车与众不同的是牵引电机，即电动牵引电机。那个牵引电机需要两件事。它需要电动机控制器，并且需要电池管理系统。”在许多市场中，能效和电机控制是整个系统正常运行的两个要素或挑战。

图2：具有PWM抑制功能的双向电流检测放大器[来源：Maxim Integrated]

能量收集

当涉及电动汽车时，也许我们可以考虑收集能量。回收车辆在运动和制动过程中所消耗的能量是公路上能量收集的基本原理。强烈的动机支持对电动汽车的肯定：首先，一个与环境相容性有关，其次，但次要的是与功能简单性和能源效率有关的重要性。

功能简单性是由于内燃机由数百个彼此相互作用并处于运动状态的功能部件组成，而电动汽车发动机仅由电动机组成，而电动机在功能上是唯一处于运动中的推进部件。

“能量收集是一个有趣的领域。通常，它在电子空间中具有巨大的应用，但是在车辆中，它更多地是转角用例，因为当车辆行驶时，它会消耗大量的能量。这就是电池组这么大的原因。这通常意味着什么，因为牵引电动机消耗了90％的能量，而HVAC系统几乎消耗了汽车中的其余所有剩余功能，因此它们消耗多少能量无关紧要，因为这就是巨大的电池放到地板之间，座位之间。”正如戴夫所说。

下一代系统的能源问题将在使微电子技术的应用特别普及的过程中发挥关键作用，例如物联网中的传感器系统，以及在新兴的“万物有效的互联网”中更是如此。

“挑战不仅是在可以收集能量时收集能量，还要在这些时间之间存储能量，然后在能量存储最终用完时向系统发出信号，以便当能量恢复时，它可以优雅地唤醒。”

电源管理IC

PMIC旨在提供许多好处，包括比标准解决方案节省40％的能量，从而在延长电池寿命的同时提供了市场上最紧凑的外形尺寸（图3）。

图3：3输出SIMO降压-升压型稳压器[来源：Maxim Integrated]

PMIC器件为产品提供电源电路解决方案。此类别包括：稳压器，电池管理和监控器，LED驱动器，电机驱动器/控制器。大多数解决方案为许多常见微处理器和FPGA的所有电源轨提供集成解决方案。电池具有与电池化学有关的复杂电流要求。电池电量可能会降至临界水平以下，在该临界水平下，依赖的电路将无法在各种控制应用中工作。PMIC在单个设备中结合了多种电源和安全功能，以减少设计时间和电路板空间。