如何提高電機設計能效

　　隨著節能成為全球范圍關注的焦點，電機設計的能效也成為一個引人關注的問題。由于各國政府相繼出臺各種法規來要求提高能效，為了應對能效挑戰，電機驅動電路變得越來越復雜。本文討論電機驅動電路的產品和行業趨勢，并提供有助于設計人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數量、實現環保的解決方案。 

　　工業領域的電機種類 

　　近100年來，電器產品主要使用感應電機，即使是變頻驅動型電器，也是采用感應電機?，F在某些新型電器開始采用效率更高、尺寸更緊湊、重量更輕的電機。這些新型電機可分為兩大類，即無刷直流電機和開關磁阻電機。 

　　許多常見的家用電器都采用帶變頻驅動的無刷直流電機。這類高效的通用電機具有很高的轉矩密度。隨著能源價格飆升，業界重新燃起了對無刷直流電機的興趣。但一直以來，成本以及驅動設計的整體復雜性阻礙了這種電機的廣泛采用。 

　　開關磁阻電機則多用于吸塵器和手持電動工具這類不關注電機噪聲和轉矩波動的電器中。開關磁阻電機的特點是轉矩大、轉速高，但價位非常具有競爭力。 

　　無刷直流電機和開關磁阻電機都要利用一個微控制器或DSP來進行波形調節，然后用功率開關(功率 MOSFET或 IGBT) 放大這些調節后的波形。 

　　驅動電路 

　　設計變頻驅動電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機中，Z流行的低頻驅動方案是梯形波驅動電路，如圖1所示。圖2給出了梯形波驅動電路的實際測試波形。 

　　如果需要更高的頻率和性能，可采用PWM方法來產生正弦波。若要再進一步提高效率，便可采用空間矢量調制 (Space Vector Modulation) 法。 

　　永磁三相同步電機有兩個流行的類型，即正弦永磁同步電機和梯形波無刷直流電機。正弦永磁同步電機與梯形波無刷直流電機(電氣性能)非常相似，它們的區別主要體現在以下兩個方面：(1)電機構造或者說反電動勢 (BEMF) 的波形不同，一個是感應電壓正弦永磁同步電機，另一個是梯形波無刷直流電機；(2)控制電壓的波形不同，一個采用三相正弦(所有三個相位同時有電流流過)，一個采用矩形六步換流。 

　　在新型驅動裝置中，正弦永磁同步電機越來越流行，開始在很多應用中取代有刷和無刷直流電機、通用(交流異步)電機和其它電機 (如家用變頻空調，工業縫紉機等)。其原因是它更可靠 (無刷)、效率更高、噪聲更小，而且在電控制方面具有非常高的電壓利用率及低頻轉矩。圖3和圖4分別給出了一種基于磁場定向控制(FOC)的無位置傳感矢量控制器的系統框圖及其實驗波形。 

　　創新解決辦法：智能功率模塊 

　　智能功率模塊(SPM)是微控制器或DSP與電機之間的功率接口，能減小電機體積并簡化設計。這種模塊較之于分立式解決方案的優勢在于寄生電感更小、可靠性也更高，這是因為模塊內的所有功率器件都采用了同批次芯片，具有一致的測試性能。這種智能功率模塊可與微控制器低電壓TTL或CMOS輸出直接接口，并帶有保護電路。模塊內置有監視結溫的熱敏電阻器、防止上下橋臂直通的邏輯保護電路、死區時間控制，以及用于Z大限度減少EMI等的驅動波形整形電路。在模塊中，每個驅動IC均可進行優化，使其以Z小的EMI和驅動損耗來完成功率器件的開關動作。三相驅動模塊將繼續在電器產品廣泛應用。圖5給出了馬達控制使用SPM 的典型應用電路。 

　　經過設計的智能功率模塊，能實現Z大的設計靈活性，可用于不同的輸出電壓和功率范圍。