PI這款新產(chǎn)品想解決IPM模塊所存在的問題，從而節(jié)省能源和空間，精簡BOM，同時幫助應(yīng)用廠商輕松符合安全標(biāo)準(zhǔn)，并且簡化電路和縮短開發(fā)時間。

無刷電機（BLDC）能效更高、動態(tài)性能更出色和運行噪聲更低，已成為電機驅(qū)動設(shè)計的必然趨勢，但與此同時，高壓電機IPM模塊存在散熱等許多問題，需要采用新的逆變器驅(qū)動IC進行替代。

無刷電機——巨大增量市場

由于世界各國不斷關(guān)注節(jié)能問題，使節(jié)能型消費類產(chǎn)品的需求持續(xù)上升，尤其是電冰箱、洗衣機和空調(diào)等白家電產(chǎn)品。除了節(jié)能，白家電設(shè)計的挑戰(zhàn)包括尺寸、散熱、可靠性、噪聲及外觀設(shè)計等。

而這些都與電機技術(shù)息息相關(guān)，PowerIntegrations（PI）公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光表示，電機幾乎消耗了全球50%的能源，另一方面由于有刷電機存在EMI較差、效率低、壽命短，并且不適用于高轉(zhuǎn)速應(yīng)用的特點，因此無刷電機將逐漸替代有刷電機，在白家電設(shè)計中應(yīng)用越來越廣泛。

據(jù)了解，目前市場上許多新型的節(jié)能洗衣機就采用了BLDC變頻電機，效率高達80%，比普通電機提升40%，在節(jié)能方面秒殺普通電機，同時降噪效果非常明顯，BLDC變頻電機可以把噪音降低15%。

數(shù)據(jù)顯示，2017年全球BLDC市場為301億美元，較2016年成長12.8%。據(jù)統(tǒng)計，高檔電冰箱中可能會使用5個或以上電機，空調(diào)的室外機及室內(nèi)機各使用2個，洗衣機/烘干機、洗碗機等通常也會使用2個電機。

在接受《半導(dǎo)體器件應(yīng)用》記者采訪時，閻金光認(rèn)為無刷電機是非常巨大的增量市場，預(yù)計未來70-80%的應(yīng)用都將采用無刷電機。

他引用數(shù)據(jù)表示：“2018-2023年，空調(diào)無刷電機的年復(fù)合增長率降到8%，將是應(yīng)用最多的市場。而‘制濕型’家電、‘制冷型’家電、電風(fēng)扇和工業(yè)用泵的年復(fù)合增長率將分別達到11%、17%、20%和15%?！?/p>

為何要替代IPM模塊？

為了高效地驅(qū)動工業(yè)、家用電器的電機，業(yè)界開發(fā)了變頻器技術(shù)。電機系統(tǒng)需要用到IGBT、快速恢復(fù)二極管（FRD）等功率器件，以及控制IC和無源元件。而智能功率模塊（IPM）將這些開關(guān)元器件高密度貼裝封裝在一起，運行可靠性高、功能強大，并具有自診斷和保護功能，因此被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動電機的變頻器和各種逆變電源。

然而，近日PI公司卻發(fā)布了BridgeSwitch?集成半橋電路(IHB)的電機驅(qū)動器IC產(chǎn)品系列，希望解決IPM模塊所存在問題。

據(jù)閻金光介紹，PI這款新產(chǎn)品想解決IPM模塊所存在的問題，從而節(jié)省能源和空間，精簡BOM，同時幫助應(yīng)用廠商輕松符合安全標(biāo)準(zhǔn)，并且簡化電路和縮短開發(fā)時間。

首先，IPM模塊存在效率問題，而這又會導(dǎo)致發(fā)熱問題。

據(jù)其介紹，IPM模塊通常采用MOSFET或者IGBT。如果使用IGBT作為開關(guān)，則同時需要內(nèi)部附加二極管，由于附加二極管的特性及IGBT關(guān)斷時的拖尾電流問題，往往會產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗，從而會影響工作效率，這會導(dǎo)致IPM模塊產(chǎn)生局部集中發(fā)熱現(xiàn)象，從下圖可知，其最高溫度將達到118攝氏度，遠(yuǎn)超PCB板承受范圍，因此IPM模塊通常需要附加散熱片進行散熱。

因此，電機逆變器效率的提升成為亟待解決的問題。閻金光認(rèn)為，即使很小的逆變器效率改善也對節(jié)能及電機壽命有顯著的影響。

他向《半導(dǎo)體器件應(yīng)用》記者介紹了PIN=260W的應(yīng)用案例。當(dāng)電機逆變器效率為97%時，功耗為7.8W，但是當(dāng)效率提升1%達到98%時，功耗可降低為5.2W，從而節(jié)省了2.6W功的功耗。而在一個小體積封裝當(dāng)中，此功耗的節(jié)省可以大大降低器件的溫升。

PI是如何提升逆變器效率呢？據(jù)介紹，BridgeSwitchIC內(nèi)部集成了兩個性能加強的FREDFET（具有快恢復(fù)外延型二極管的場效應(yīng)晶體管）分別用于半橋電路的上管和下管，且具有無損耗的電流檢測功能，可使300W以內(nèi)的無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動器應(yīng)用中的逆變器轉(zhuǎn)換效率達到98.5%。

據(jù)閻金光介紹，BridgeSwitch采用的FREDFET可使得開關(guān)效率最大化。因為電機繞組在去磁過程期間其電流需要流經(jīng)體二極管，而體二極管的每一次關(guān)斷都會產(chǎn)生損耗，F(xiàn)REDFET的體二極管具有極低的QRR和軟恢復(fù)特性，從而實現(xiàn)開關(guān)損耗降低，EMI更低。另外，主開關(guān)管在關(guān)斷期間的電壓上升斜率也進行了精確的控制（＜3V/ns），這樣既可以保證高效又可以兼顧到EMI性能。

他表示，實際上BridgeSwitch能夠提供一點五個百分點的效率提升，其帶來的好處更多。

一方面，它能使得因損耗而引起的發(fā)熱降低，從而使器件封裝溫度從118℃下降至88℃。再者，PI的IHB架構(gòu)將同樣損耗產(chǎn)生的熱量均分到不同的器件上分別進行散熱，可以減少系統(tǒng)中集中發(fā)熱的現(xiàn)象，僅僅利用PCB即可進行散熱，進而降低了系統(tǒng)散熱成本，大幅增強驅(qū)動逆變器的可靠性，克服了傳統(tǒng)IPM模塊應(yīng)用中外加散熱片所帶來的機械應(yīng)力較差的缺點。

而無需散熱器的設(shè)計，還可以帶來另一個好處——可以節(jié)省跌落測試環(huán)節(jié)的認(rèn)證費用和時間，加快產(chǎn)品開發(fā)速度，同時簡化產(chǎn)品生產(chǎn)流程。

另一方面，隨著歐美節(jié)能法規(guī)日趨嚴(yán)格，比如關(guān)于家用電器總能耗（TEC）的限制，效率更高的電機逆變器可以幫助客戶更加易于滿足TEC法規(guī)要求。因此，采用BridgeSwitch?集成半橋電路可以幫助用戶以更低的成本、更短的時間滿足世界范圍內(nèi)節(jié)能方面的要求。

還有，節(jié)能法規(guī)趨嚴(yán)會導(dǎo)致家電產(chǎn)品在添加物聯(lián)網(wǎng)等功能時，就像帶著鐐銬跳舞，而采用BridgeSwitch?由于其1.5%的效率提升，所節(jié)省的功耗不僅可以滿足高效節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，還可以用來給現(xiàn)有產(chǎn)品增加新的功能，使得產(chǎn)品在總能耗不增加的情況下具備更多的功能，產(chǎn)品具有更多的賣點。

據(jù)閻金光介紹，傳統(tǒng)的IPM方案中其保護是利用軟件來實現(xiàn)的，以滿足各種安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對電機應(yīng)用安全方面的要求。因此軟件需要滿足ClassB認(rèn)證要求，認(rèn)證費用昂貴且費時，而且后期任何軟件更新均需重新認(rèn)證，對于采用OTA技術(shù)的軟件在更新后還需要重新進行額外的軟件完整性校驗，這樣同樣會降低軟件升級效率。

而PI公司的IHB結(jié)構(gòu)內(nèi)建了以硬件方式實現(xiàn)的過流保護、過溫保護及其它故障保護。而且其內(nèi)部上管和下管均具備獨立的逐周期的過流保護，即使在電機工作異常時仍能可靠動作，這樣可以大大簡化軟件，提高軟件代碼執(zhí)行效率，從而降低研發(fā)時間。閻金光還強調(diào)，由于采用了硬件保護機制，軟件需要執(zhí)行的故障保護功能大幅減少，因而在某些無刷電機驅(qū)動應(yīng)用中可以選擇相對成本更低的MCU進行控制。

最后，IPM模塊不夠智能化。

由于IPM的使用過程中會產(chǎn)生各種故障，然而IPM方案通常引腳數(shù)目有限，無法通過功能測試的方法快速定位失效位置。

而BridgeSwitch?具有內(nèi)置的器件層級保護和系統(tǒng)層級監(jiān)測特性，同時具備一個可靠的單線接口用以進行工作狀態(tài)的更新，在電機微處理器和多達三個BridgeSwitch器件之間進行通信。而且這種通訊是雙向的。即MCU可以將復(fù)位或狀態(tài)更新指令發(fā)送給各個BridgeSwitch器件,BridgeSwitch器件業(yè)可以將其狀態(tài)及故障情況報告給MCU。再者，每個BridgeSwitch器件的上管和下管限流點都可以單獨進行設(shè)定，這樣無需微處理器及相關(guān)外圍電路的干預(yù)，在電機繞組開路或短路情況下BridgeSwitch器件本身即可提供整個系統(tǒng)的保護。而集成的無損耗電流監(jiān)測特性可提供基于硬件的電機過流故障保護，有助于簡化電機故障保護機制，從而滿足IEC60335-1和IEC60730-1要求。

與此同時，BridgeSwitch?還具備自供電特點，其內(nèi)部驅(qū)動電路可以選擇從高壓母線進行自動供電，節(jié)能了輔助電源中的供給柵極的驅(qū)動功率。另外，該器件可兼容所有常見的控制算法，包括磁場定向控制(FOC)、正弦控制以及提供有傳感器和無傳感器檢測的梯形控制算法。

總而言之，PI公司希望借BridgeSwitch器件解決IPM模塊的存在問題，為冰箱壓縮機、暖通空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)扇以及其他家用和輕型商用泵、風(fēng)扇和風(fēng)機提供新的可靠性更高的設(shè)計解決方案。

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