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针对电机、铁路和电动车的全新解决方案

admin
2021-05-06
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标签:工业应用

今年5月,全球电力电子行业领先展示平台PCIM欧洲将于3-7号以数字化活动日形式,通过线上举办。历经40余年,PCIM Europe已然是全球最大的功率半导体国际展览会暨研讨会。深耕于高压集成电路高能效功率变换领域的知名公司Power Integrations(PI)将通过线上形式参与此次盛会,其资深培训经理阎金光向媒体介绍了这次PI展出的面向电机、铁路和电动车应用的三款主打新产品。

作者:Bodo’s功率系统杂志徐敏

支持新兴市场应用的电机驱动器

阎金光首先表示,随着能效标准越来越高,要求采用更高能效的BLDC(无刷直流)电机。为提升效率,要提高母线电压以降低电流。售后方面需要提高故障诊断准确性,还要实现电机本身更低的噪声和精确控制。

PI的BridgSwitch适合在高压直流电机中使用,在一个封装中集成了两个开关管,灵活适用于不同电机的驱动应用,替代传统的的IPM(智能功率模块)。

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使用3个BridgeSwitch器件的典型三相逆变器

他说,驱动一个绕组的单相电机可使用两个BridgSwitch构成一个全桥电路;如果是三相电机,使用3个BridgSwitch器件。每个BridgSwitch驱动一相绕组,所以可以用在三相,也可以用在单相,灵活性更好。

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单相电机简单的控制方式

BridgSwitch是硬件方式保护,内部检测电流可实现动态监控,避免电机故障误诊断情况。发现故障时,通过FAULT引脚把故障信息发给后面的MCU(微处理器),后者根据检测到的故障进行相应安全操作。

BridgSwitch功率从小到大有不同型号,内部做了一些散热优化,以保证回流焊后下面金属部分能够把热量导到PCB上,散热效率做得非常高,不需要散热片。

PI还开发了BridgeSwtich软件来实现单相电机驱动设计,有助于客户使用BridgSwitch器件。在设计中不需要传感器检测转子位置,使用内部电流检测电阻还可以去掉霍尔传感器,降低成本,同时增加可靠性。

为实现保护特性,传统电机过流保护要加一个外部电流检测电阻,检测后通过MCU关断驱动信号,所以以前的保护是基于软件的。但软件要求进行Class B认证,现在用BridgSwitch的硬件方式实现保护,某些应用只要Class-A认证即可,可大大节省软件认证时间并有利于产品后续的软件升级。

BridgeSwtich软件采用图形用户界面(GUI),适合单相电机驱动调试。其系统架构同时支持有感控制和无感控制。

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有感控制

无感控制是利用IPH引脚检测内部相电流,以获得转子位置信息。这种方式可以省去霍尔位置传感器。

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无感控制

GUI非常简单直观,不懂编写代码,对电机应用不是特别了解,也可以对电机的实际特性做调整,改变参数即可观察电机运行状态。

定制化铁路驱动解决方案

阎金光介绍的第二款产品是为铁路量身定制的IGBT驱动解决方案。他表示,随着铁路应用的高速增长,对IGBT驱动器提出了新的要求:更高的耐用性和可靠性,还要易于使用,可维护性好,长寿命。

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即插即用的1SP0630

即插即用的1SP0630驱动板用于给高压功率器件提供驱动隔离及保护,高压功率器件通常用于逆变器实现直流变交流的过程。驱动板的可靠性及安全性大大影响逆变器的工作可靠性,当负载出现短路等极端故障情况时,驱动电路必须及时做出反应,以可靠关断功率器件。在使用该驱动板时可以在10微妙之内将IGBT可靠关断,防止IGBT发生损坏。

据介绍,为防止灰尘产生短路现象,保证关键设备不出现任何故障,工作长达几十年,1SP0630板上使用了三防涂层工艺,如绝缘胶或防尘胶、防潮胶等,这样做的目是让灰尘、振动等不会对驱动板产生影响,利于长期工作于机车的高污染等级应用环境,增加系统安全性和可靠性。

满足纯电车功能安全的应急电源驱动器

阎金光介绍的第三款产品是针对电动车应急电源的耐压900V的InnoSwitch3-AQ门极驱动器。他表示,即使是纯电动车,除了动力电池外还有一个12V电池,它需要在车辆未启动前、遇到紧急情况熄火时为各子系统供电,以保证使用者安全。

ISO 26262规定,如果12V电池的电放光了,不能完成驱动,方向盘不能转,连刹车都没有是不允许的,所以公路用车必须满足功能安全要求。因此,在电动车的结构当中必须安装应急电源,以保证12V电池发生故障的情况下,上述各项功能经由应急电源供电后,能够可靠实现。而应急电源的输入供电则来自于动力电池。应急电源必须能够在很高的动力电池母线电压下工作。

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ISO 26262对牵引逆变器性能的规定

他表示,目前电动车母线电压的设计趋势是越来越高。提高母线电压的好处在于,一是超快速充电,在30分钟内充电至500公里续航里程;二是更紧凑的线束和功率电子系统,导线铜损更低,可以降低大功率线束的线径和重量;三是易于采用碳化硅等新型功率器件。因此,汽车制造商已开始考虑采用1000V甚至1200V母线电压。为满足新的要求,应急电源必须能够在更高母线电压下安全可靠地工作。

随着母线电压的不断提高,要求应急电源内部的开关MOSFET也要耐受更高的输入电压,必须能够在30V到925V(限于800V母线电压)输入电压范围内工作。现在PI的InnoSwitch3-AQ耐压已提升到900V,以应对更高母线电压的需求。

隔离式电源有初级稳压和次级稳压两种控制方式。现有方案一般采用PSR(初级侧稳压)控制器 + 800V MOSFET + 叠加场效应晶体管。实际上是两个开关MOSFET串联(上管和下管)再加一个控制器。

因为汽车应用环境非常恶劣,使用光耦器的次级反馈特性会受到很大影响,所以传统方案都使用PSR方案。PSR的缺点是稳压精度差,不支持多路输出,而且必须用二极管来做次级整流,效率比较低;元件数目多,功耗比较大。

InnoSwitch3-AQ是一个采用次级稳压方式的反激电路功率转换芯片,可以满足AECQ100汽车认证要求。加上一个Stack FET就可以满足800V以上母线电压应用。

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InnoSwitch™ 3-AQ反激电路

因为是次级稳压,所以无论是负载调整率还是输入电压调整率,InnoSwitch3-AQ精度都可以做到1%至负3%,有助于实现快速动态响应特性。

另外,磁感耦合方式链接的FluxLink™ 可以省去光耦,增加了爬电距离。因为汽车是多灰尘、潮湿的环境,安全性要求比较高,除了电气隔离,还有IC封装材料提供加强绝缘,全部产品都通过了4500V的耐压测试。

如果选用不同耐压的MOSFET可以扩展方案,实现不同的输入电压范围。如果采用更高耐压的MOSFET,甚至可以支持1700V的VDS电压。

为了把电路板做得高效、紧凑,使用Stack FET可以适应更宽的输入电压范围,减少元件数目,实现非常简洁的电路板设计,同时提升电源可靠性。

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参考板元件数目很少

阎金光最后表示,在PCIM EUROPE展示的三款产品既有支持新兴应用的电机驱动器,又有为铁路应用量身定制的IGBT驱动解决方案,还有满足纯电车功能安全的车规应急电源方案,充分体现了PI在为设计人员提供先进功率半导体器件和易用设计工具,帮助其轻而易举开发出高效率电源产品方面的优势。

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