无刷直流电机，需要怎样的芯片？

凭借高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速、相对低成本且简单易用等优势，无刷直流电机在全球的受欢迎程度大增。根据Spherical Insights的预测，预计到2032 年，全球无刷直流电机市场规模将达到453 亿美元，2022 年至2032 年预测期间复合年增长率为7.5%。
 
由此可见无刷直流电机，大有可为。
 
众所周知，任何电机都是由定子和转子两部分组成。其中，定子是固定不变的，转子则是运动的，这在无刷直流电机上也不例外。具体而言，定子拥有由线圈组成的绕组，而这个绕组是需要靠交流电去驱动的，因为只有交流电，才能产生一个交变的磁场，进而驱动由永磁体构造的转子旋转。
 
 
 
考虑到无刷直流电机的使用场景，这就意味着在电路中会有一个逆变器，去将直流电转为交流电。如上图圈内所示，一个三相绕组是由三个半桥来驱动的。
 
所谓半桥，是一种基本、可重复的、灵活的功率元件组。在过去，市场常用封装了六个功率开关管的IPM（智能功率模块）来实现，但这仅仅局限于中低功率的应用。按照Power Integrations 资深技术培训经理阎金光所说，部分原因归咎于如果功率太大，封装如此多功率管的IPM的散热很难处理。
 
“面对这些挑战，Power Integrations推出的BridgeSwitch就能很轻松就应对”，阎金光表示。在近日，公司更是推出了全新高压集成半桥(IHB)电机驱动器IC产品系列BridgeSwitc-2，进一步增强无刷直流电机(BLDC)的软硬件组合解决方案。
 
“这是一款面向母线电压达到300V甚至更高功率的产品。”阎金光说。
 

 
据阎金光介绍，与上一代产品相比，新产品在很多方面有了提升。例如适合高达1马力 (746W)的应用场景。新IC内部还集成了上管和下管的驱动以及两个性能加强的FREDFET，内部更是采用无损耗的电流检测，可提供高达99%的逆变器效率。
 
相关资料显示，PI这个低导通电阻的FREDFET在所有型号产品中都得到了运用，能显著降低导通损耗。与此同时，其内部集成的体二极管设计用于实现很低的损耗并降低了EMI。 此外，BridgeSwitch-2提供的相电流检测则是一项市场上独有的特性，能对流经下管FREDFET的电机电流加以镜像检测，而内部的增益放大电路仅需要使用一个外部的小信号电阻即可。其IPH功能则帮助进一步降低了BOM成本，提升了系统效率。
 

 
从设计上看，相较于分立式设计，BridgeSwitch-2的IHB架构消除了系统中的集中发热点，可提高设计的灵活性和可靠性，并可大幅减少元件数量，节省PCB面积。而针对功率大小不同，BridgeSwitch-2也提供了W封装和C封装这两个不同的产品以供开发者选择。
 

 
除了硬件方面，软件也是PI这个方案不得不提的又一个亮点。正如阎金光所说，一个直流电机的运转，不仅仅依赖于硬件，软件的支持也同样重要。在这种模式下，就需要有MCU，让软件跟硬件一起搭配调整。为了帮助开发者更快地开发产品，PI打造了一个一体化的解决方案，MotorXpert软件套件就是其中的一个重要助力。据介绍，该套件包括了单相梯形控制和三相无传感器磁场定向控制(FOC)模块，可加快逆变器的开发速度。
 
PI表示，传统的采用分立或IPM方案的逆变器依赖于软件执行系统保护，比如过压或过流故障条件下。这样会增加软件的开发周期及成本。但BridgeSwitc内建的过流和过压保护机制不依赖于软件，可以在不需要MCU介入的情况下保护逆变器和系统。
 
“为了使系统MCU在任何时间了解系统的状况，BridgeSwitch不只是对其本身提供保护，还将故障情况以故障总线的方式（仅需要2kB的内存代码）汇报给MCU。特别对于出口至美国和欧盟的产品型号，根据IEC 60730‐1 标准，需要满足Class A的系统软件，而这会多花2个月的产品认证时间。”PI方面强调。
 
正因为拥有如此宽广的工作电压范围，PI的这个产品应用非常广泛，可以推广到包括热交换器风扇、冰箱压缩机、流体循环泵、燃气锅炉燃烧风扇、洗衣机滚筒以及厨房搅拌机和搅拌器在内的市场。
 
对于无刷直流电机的开发者来说，这也是一个不错的选择。