【導(dǎo)讀】工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器涵蓋廣泛的應(yīng)用，從低壓工業(yè)驅(qū)動(dòng)器（例如風(fēng)扇、泵和傳送帶、熱泵和空調(diào)）以及伺服驅(qū)動(dòng)器。據(jù)估計(jì)，這些通常由交流電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占工業(yè)用電量的 70-80%。因此，人們有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)來提高這些驅(qū)動(dòng)器的效率。即使該參數(shù)的微小改進(jìn)也能在節(jié)省能源和成本方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。國際電化學(xué)委員會(huì) (IEC) 為電機(jī)和集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制定了各種效率標(biāo)準(zhǔn)。例如，現(xiàn)在主要國家都要求采用IE3標(biāo)準(zhǔn)。在歐盟，額定輸出功率在 75 kW 至 200 kW 之間的電機(jī)需要符合 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。
基于 SiC 器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器涵蓋廣泛的應(yīng)用，從低壓工業(yè)驅(qū)動(dòng)器（例如風(fēng)扇、泵和傳送帶、熱泵和空調(diào)）以及伺服驅(qū)動(dòng)器。據(jù)估計(jì)，這些通常由交流電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)占工業(yè)用電量的 70-80%。因此，人們有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)來提高這些驅(qū)動(dòng)器的效率。即使該參數(shù)的微小改進(jìn)也能在節(jié)省能源和成本方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。國際電化學(xué)委員會(huì) (IEC) 為電機(jī)和集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制定了各種效率標(biāo)準(zhǔn)。例如，現(xiàn)在主要國家都要求采用IE3標(biāo)準(zhǔn)。在歐盟，額定輸出功率在 75 kW 至 200 kW 之間的電機(jī)需要符合 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。
傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基于硅 (Si) 器件，例如 IGBT。 SiC 的許多材料優(yōu)勢(shì)直接轉(zhuǎn)化為更低的功率損耗，從而提高效率。這一優(yōu)勢(shì)隨著開關(guān)頻率的增加而增加，預(yù)計(jì)在 16 kHz 開關(guān)頻率下的 25kW 應(yīng)用中，基于 1200 V SiC MOSFET 的逆變器比 IGBT 提高了 2.2%。更高的頻率允許使用更小的無源器件。其他好處包括減少可聽噪音、提高電機(jī)轉(zhuǎn)速以及提高控制精度。需要功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)的電機(jī)可以進(jìn)一步受益于 SiC 器件的使用，例如用于升壓級(jí)的肖特基二極管，以及更簡單的拓?fù)?，例如使?SiC MOSFET 的無橋圖騰柱。使用 SiC 可以簡化冷卻要求并減小整體系統(tǒng)尺寸。雖然 SiC 可實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換速率 (dv/dt)，但由于寄生效應(yīng)產(chǎn)生的過沖，可能會(huì)對(duì)電機(jī)軸承造成損害。然而，SiC MOSFET dv/dt 可以通過柵極電阻 RG 輕松控制，并且即使在較慢的 dv/dt 下，其效率也可以顯著優(yōu)于 Si IGBT。
因此，該套件適用于 230 V 交流電源下額定功率為 15 kW 或更低的電機(jī)，或者使用 400/480 V 交流電源時(shí)額定功率為 30 kW 的電機(jī)。
該套件包括：
承載功率 MOSFET 子卡和相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器板以及控制器板的主板。三相主板利用了從早期半橋主板每個(gè)相中獲得的知識(shí)。這包括限度地減少電源和柵極環(huán)路中的寄生電感。邊緣卡配置連接子板。直流總線沿電路板的長度分布，并采用交錯(cuò)連接，以限度地減少電感。其中包括對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，例如每相和直流母線的電流傳感器、漏極電壓和相電壓感測(cè)。使用差分運(yùn)算放大器相對(duì)于直流總線測(cè)量每相電壓。該信號(hào)被按比例縮小，然后用于饋送控制器。柵極驅(qū)動(dòng)器可以使用主板上的漏極電壓傳感器來監(jiān)控 MOSFET 的漏極-源極 (VDS) 電壓，以進(jìn)行短路檢測(cè)?？刂齐娫葱枰獑蝹€(gè) 12 V 電源。 CAN 接口（或 USB）允許與計(jì)算機(jī)和圖形用戶界面 (GUI) 進(jìn)行外部通信。該板還包括用于閉環(huán)電機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器接口。
每相需要 3 個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器卡。該套件與 Analog Devices、Skyworks 和 Texas Instruments 等合作伙伴公司的隔離式 2 通道柵極驅(qū)動(dòng)器卡兼容。這些卡已經(jīng)過兼容性和驅(qū)動(dòng) Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的能力測(cè)試。需要注意的是，并非所有這些卡都支持短路測(cè)試或具有米勒鉗位，這可能是選擇驅(qū)動(dòng)卡時(shí)需要考慮的因素。
功率MOSFET子卡可選用Wo lfspeed的SiC MOSFET，額定電壓為650 V至1200 V，具有多種導(dǎo)通電阻（RDSON），封裝類型包括通孔和表面貼裝。目前，該套件有超過 20 個(gè)子卡可供使用，并且隨著時(shí)間的推移還會(huì)添加更多子卡。這些子卡包括一個(gè)預(yù)組裝的散熱器，與主板上的風(fēng)扇對(duì)齊以實(shí)現(xiàn)高功率測(cè)試?？梢钥焖俑鼡Q子卡，以根據(jù)應(yīng)用需求執(zhí)行比較測(cè)試和 MOSFET 選擇。該平臺(tái)支持標(biāo)準(zhǔn) B6 逆變器拓?fù)?，每個(gè)開關(guān)位置有一個(gè)設(shè)備。
控制卡：NXP 制造的高壓控制卡，可與該套件一起使用。這些卡充當(dāng)開發(fā)三相 PMSM、BLDC 和 ACIM 控制和功率因數(shù)解決方案的平臺(tái)。該平臺(tái)與恩智浦的微控制器 (MCU) 和數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) 兼容。這些范圍從 48 MHz MCU 到能夠以數(shù)百 MHz 運(yùn)行的控制器。 MCU 基于 ARM Cortex。先進(jìn)的i.MX RT 系列 MCU 具有實(shí)時(shí)控制功能，其中包括用于組合電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制的多核選項(xiàng)。 DSC 可以提供低延遲和先進(jìn)的計(jì)算能力。這些控制器包括支持閉環(huán)電機(jī)控制所需的所有外設(shè)，例如運(yùn)算放大器、正交解碼器、ADC、PWM 引擎等。固件開發(fā)是 NXP 提供的一項(xiàng)關(guān)鍵支持功能，詳細(xì)信息如下。
可選的降壓-升壓濾波器板可以連接到主板的中間相，以將系統(tǒng)作為降壓或升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。該套件還可借助可選的空芯電感器用于 MOSFET 的雙脈沖測(cè)試 (DPT) 表征。對(duì)于 DPT 測(cè)試，可以選擇用于 I DS測(cè)量的電源子卡上的分流電阻器來進(jìn)行開關(guān)能量測(cè)量（較高值）與功率測(cè)試（較低值）。
開發(fā)流程
讓我們看看用戶使用此套件進(jìn)行三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)可以采取的一些步驟：
MOSFET 表征初可以通過 DPT 測(cè)試來完成。這可以幫助確定初始 R G和 dv/dt，并測(cè)量開關(guān)損耗和過沖。接下來，可以調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)和 R G 、優(yōu)化死區(qū)時(shí)間、執(zhí)行短路測(cè)試并檢查波形，以確保柵極和漏極電壓位于安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)。
隨后可以在應(yīng)用負(fù)載點(diǎn)執(zhí)行高功率測(cè)試。這會(huì)測(cè)試柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET 和系統(tǒng)控制參數(shù)。系統(tǒng)優(yōu)化將涉及調(diào)整開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間和環(huán)路控制參數(shù)。 NXP 的 FreeMASTER 調(diào)試和數(shù)據(jù)可視化工具有一個(gè)名為電機(jī)控制應(yīng)用調(diào)整工具 (MCAT) 的插件模塊。這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整和更新電機(jī)控制參數(shù)。該工具生成的電機(jī)識(shí)別可用作調(diào)整的起點(diǎn)?；蛘?，將外部電機(jī)模型（例如 Simulink）的數(shù)據(jù)到 MCAT 工具上。 MCAT 內(nèi)的全套實(shí)時(shí)控制嵌入式軟件庫 (RTCEL)，例如數(shù)學(xué)、PI 和 PID 控制查找表和控制算法的通用功能、支持磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的電機(jī)控制調(diào)制、數(shù)字濾波器庫等都是其中的一部分。 RTCEL 還包括用于無傳感器控制的電機(jī)控制庫 (AMCLIB)。 MCAT 工具獨(dú)立于 MCU。如圖 2 所示，MCAT 的輸出是一個(gè)頭文件，可以合并到終軟件中。
圖 2：Wolfspeed 三相電機(jī)控制 SpeedVal 套件中使用的恩智浦 MCAT 電機(jī)調(diào)諧流程（來源：Wolfspeed）
開關(guān)優(yōu)化之后可以進(jìn)行全面的性能驗(yàn)證，測(cè)試所選硬件和使用的參數(shù)的效率和穩(wěn)健性。圖 3 顯示了執(zhí)行逆變器測(cè)試時(shí) GUI 輸出的示例。該接口允許開箱即用的測(cè)試，無需編程。
圖 3：運(yùn)行逆變器測(cè)試時(shí)的 SpeedVal 套件 GUI 輸出（來源：Wolfspeed）
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