学技术 | 无刷直流 (BLDC) 电机设计的新起点
前言
无刷直流电机(bldc)设计很复杂。在大量的mosfet、igbt和门极驱动器产品组合中开始选择电子器件(旧的起点) 是茫然无助的。
安森美(onsemi)提供帮助，带来一个 “新的一阶近似值起点”，提供与开关(n-fet或igbt)相匹配的门极驱动，更接近客户的最终决定，并跨越了 “旧的起点”——看似无止境的产品系列。这包括5个全面的表格，包含的电机电压有:12 v、24 v、48 v、60 v、120 v、200 v、300 v、400 v和650 v，最高可达6 kw。
无刷直流电机(bldc)
无刷直流(bldc)电机具有许多优于有刷永磁直流(pmdc)电机的优势，特别是更高的可靠性，几乎无需维护，更低的电气和声学噪声，更好的热性能，更高的速度范围，以及更高的功率密度。一个典型的bldc电动机在转子上使用永久磁铁，在定子上使用三个电枢绕组(u、v、w)。一个微控制器(mcu)实施各种控制和调制方案(梯形、正弦、带有svm的foc、dtc等)中的一种，以策略性地给电机绕组通电。这就产生了电磁场，导致转子磁铁和定子绕组之间产生相互作用力。如果操作得当，这种相互作用力可以精确控制电机的速度、扭矩或所需方向的功率。
图2展示了一个典型的三相bldc电动机的框图。mcu执行控制和调制方案固件，它对其pwm外设发出指令，以向三个半桥门驱动器输出六个协调占空比。这三个驱动器充当输出桥中六个功率mosfet的动力转向，给下桥(ls)和上桥(hs)u、v和w mosfet通电。这些通常是n-沟道mosfet，额定电压为电机电压的1.5~2.0倍，最高可达300 v。在300 v以上，n沟道mosfet通常被igbt取代，因为它们的功率性能更高。
mcu可以通过fan4852 cmos运算放大器(9 mhz典型带宽)测量流过每个绕组的电流，且可选择用霍尔效应传感器反馈评估转子的角度位置。或可实现一个无传感器的架构，但需要更多的处理开销。rsl10 ble可用于资产跟踪、空中固件更新(fota)、功能选择/调整和遥测数据收集。
bldc表#1:12 v和24 v(n-fet)高达1.1 kw
下表1列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，12 v的功率从93 w至372 w，24 v的功率从186 w至1.1 kw。
bldc表#2:48 v和60 v(n-fet)高达1.5 kw
下表2列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，48 v的功率从186 w到1.5 kw，60 v的功率从186 w到1.5 kw。
bldc表#3:48 v和60 v(n-fet)高达3 kw
下表3列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，120 v的功率从186 w到为1.8 kw，200 v的功率从186 w到3 kw。
bldc表#4:300 v和400 v(igbt)高达6 kw
下表4列出了“新的一阶近似值起点” 为igbt提供匹配的bldc门极驱动，300 v的功率从372 w到4.5 kw，400 v的功率从372 w到6 kw。
bldc表 #5:300 v、400 v和650 v(ipm)高达6 kw
下表5列出了集成功率模块(ipm)的“新的一阶近似值起点”，其中，门极驱动器和igbt被集成到一个易于使用的模块，300 v的功率从372 w到4.5 kw，400 v的功率从372 w到6 kw，和650 v的功率从372 w到6 kw。
安森美提供了一个很好的在线工具，用于构建带有 ipm(集成功率模块)的bldc。用户输入15种工作条件，该工具会生成多个详细的分析表以及12个捕获关键热和功率性能的图表(图3)。
bldc表#1-#5
bldc很复杂，从头到尾有数百个决定要做。例如，如果您有3个不同的客户；a、b和c(图1)，从相同的“起点”(24 v，11/4 hp电机)开始，当所有3个客户浏览了他们各自的决策树时，他们的最终设计将完全不同。这是因为每个客户都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、维护、使用寿命等的门槛。
因此，建立的门极驱动与开关(mosfet/igbt)匹配表不可能对每个客户都合适。如果我们尝试，可能对一个客户是适用的，而对另外999个客户则不适用。然而，我们可以基于智能工程的考量做出一些合理的假设，并产生一个 “一阶近似值”，它介于交给客户开关和门极驱动器组合(旧的起点:你是自己的)与客户的最终决定之间。
一阶近似工程考量
成本：我们力求筛选出最低成本，同时满足以下考量。
拓扑结构：选择梯形(又名6步控制)换向是因为它的控制相对简单并产生高效和高峰值扭矩。由于在任何时候只有两个功率开关导通，因此每个开关的“导通时间”占空比为33%。
pwm占空比：pwm频率为15 khz。这是大多数6 kw以下bldc的典型情况。
门极驱动器： 结隔离门极驱动器。这些表格不包括电隔离。
温度：环境温度85 ℃。
门极驱动计算：额定门极驱动的计算方法是将q g(tot)(nc)除以开/关时间(ns)。我们为n-fet选择 50 ns开/关，为igbt选择200 ns。
n-fet结温：对于表面贴装封装(无散热器)的(t j) 由 t j = p diss x r θja + ambient 计算，在最大额定 t j以下至少留有25 ℃的余量。
其中：
- r θja = 结点至环境的热阻
igbt结温：带散热片的通孔封装的igbt结温(t j)计算公式为t j=p diss x (r θjc+r θcs + r θsa )+环境，在最大额定 t j以下至少留有50 ℃的余量。
其中：
- r θjc = 结到壳的热阻
- r θcs = 壳到散热片的热阻
- r θsa = 散热片到环境的热阻
n-fet功耗： i phase² (a) x r dson(欧姆)。
igbt 功耗：开关损耗 + 导通损耗 + 二极管损耗
其中：
- 开关损耗 = e ts (j) x pwm 频率(hz)
- 导通损耗 = i phase (a) x v ce(sat) (v)
- 二极管损耗 =(开关损耗 + 导通损耗)x 0.25
额定开关电压：n-fet v(br)dss和igbt vces = 2-3x 电机电压
额定开关电流：n-fetid和igbtic=3 x i phase。
电机相电流： i phase = 1.23 x p out / v bus
其中：
- iphase = 电机相电流, 安培
- pout = 逆变器到电机的电功率输出
- pf=电机功率因数，0.0–1.0，1.0是理想的(我们假设为 0.85)
- vbus = 电机总线电压、vdc 或 24 v
- mi = 调制指数，0.0 – 1.0，典型值为0.9(我们假设为0.9)
转自——onsmei 无刷直流 (bldc) 电机设计的新起点
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无刷直流电机(bldc)
无刷直流(bldc)电机具有许多优于有刷永磁直流(pmdc)电机的优势，特别是更高的可靠性，几乎无需维护，更低的电气和声学噪声，更好的热性能，更高的速度范围，以及更高的功率密度。一个典型的bldc电动机在转子上使用永久磁铁，在定子上使用三个电枢绕组(u、v、w)。一个微控制器(mcu)实施各种控制和调制方案(梯形、正弦、带有svm的foc、dtc等)中的一种，以策略性地给电机绕组通电。这就产生了电磁场，导致转子磁铁和定子绕组之间产生相互作用力。如果操作得当，这种相互作用力可以精确控制电机的速度、扭矩或所需方向的功率。
图2展示了一个典型的三相bldc电动机的框图。mcu执行控制和调制方案固件，它对其pwm外设发出指令，以向三个半桥门驱动器输出六个协调占空比。这三个驱动器充当输出桥中六个功率mosfet的动力转向，给下桥(ls)和上桥(hs)u、v和w mosfet通电。这些通常是n-沟道mosfet，额定电压为电机电压的1.5~2.0倍，最高可达300 v。在300 v以上，n沟道mosfet通常被igbt取代，因为它们的功率性能更高。
mcu可以通过fan4852 cmos运算放大器(9 mhz典型带宽)测量流过每个绕组的电流，且可选择用霍尔效应传感器反馈评估转子的角度位置。或可实现一个无传感器的架构，但需要更多的处理开销。rsl10 ble可用于资产跟踪、空中固件更新(fota)、功能选择/调整和遥测数据收集。
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下表1列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，12 v的功率从93 w至372 w，24 v的功率从186 w至1.1 kw。
bldc表#2:48 v和60 v(n-fet)高达1.5 kw
下表2列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，48 v的功率从186 w到1.5 kw，60 v的功率从186 w到1.5 kw。
bldc表#3:48 v和60 v(n-fet)高达3 kw
下表3列出了“新的一阶近似值起点”，为n沟道mosfet提供匹配的bldc门极驱动，120 v的功率从186 w到为1.8 kw，200 v的功率从186 w到3 kw。
bldc表#4:300 v和400 v(igbt)高达6 kw
下表4列出了“新的一阶近似值起点” 为igbt提供匹配的bldc门极驱动，300 v的功率从372 w到4.5 kw，400 v的功率从372 w到6 kw。
bldc表 #5:300 v、400 v和650 v(ipm)高达6 kw
下表5列出了集成功率模块(ipm)的“新的一阶近似值起点”，其中，门极驱动器和igbt被集成到一个易于使用的模块，300 v的功率从372 w到4.5 kw，400 v的功率从372 w到6 kw，和650 v的功率从372 w到6 kw。
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温度：环境温度85 ℃。
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其中：
- r θja = 结点至环境的热阻
igbt结温：带散热片的通孔封装的igbt结温(t j)计算公式为t j=p diss x (r θjc+r θcs + r θsa )+环境，在最大额定 t j以下至少留有50 ℃的余量。
其中：
- r θjc = 结到壳的热阻
- r θcs = 壳到散热片的热阻
- r θsa = 散热片到环境的热阻
n-fet功耗： i phase² (a) x r dson(欧姆)。
igbt 功耗：开关损耗 + 导通损耗 + 二极管损耗
其中：
- 开关损耗 = e ts (j) x pwm 频率(hz)
- 导通损耗 = i phase (a) x v ce(sat) (v)
- 二极管损耗 =(开关损耗 + 导通损耗)x 0.25
额定开关电压：n-fet v(br)dss和igbt vces = 2-3x 电机电压
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电机相电流： i phase = 1.23 x p out / v bus
其中：
- iphase = 电机相电流, 安培
- pout = 逆变器到电机的电功率输出
- pf=电机功率因数，0.0–1.0，1.0是理想的(我们假设为 0.85)
- vbus = 电机总线电压、vdc 或 24 v
- mi = 调制指数，0.0 – 1.0，典型值为0.9(我们假设为0.9)
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