當今常見的交流伺服系統(tǒng)，通常由伺服變頻器和永磁同步電機構成，兩者用線纜連接在一起。而在一個多電機的應用場景中（譬如多關節(jié)6/7軸工業(yè)機器人），常常面臨著功率線纜過多的難題：成本高，易疲勞老化，轉彎半徑大…

內部集成變頻器的一體式伺服電機

將完美解決諸如此類的問題

邁信電氣與英飛凌合作開發(fā)

基于SiC-MOSFET自然散熱設計的一體化伺服電機系統(tǒng)

較少的對外接口極大簡化了應用系統(tǒng)的外圍配件，只需2條直流線纜即可取代傳統(tǒng)21條(3相*7電機）交流驅動線纜，節(jié)約成本/體積并利于現(xiàn)場快速靈活的應用設計。

一體式伺服電機內部結構及原理示意圖

主要分為以下幾個部分

A. 電機

與傳統(tǒng)永磁電機相同。B. 碼盤采用新一代磁編芯片TL5109，體積小精度高。C. 控制板采用XMC4800作為主控制芯片，內部集成EtherCAT等功能。D. 驅動板采用集成米勒鉗位功能的驅動芯片（1EDI20I12MH), 可使用單電源供電來驅動SiC-MOSFET，簡化電路設計。E. 功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiC? MOSFET，采用鋁基板傳熱至外殼。F. 后殼

因整體耗散功率較小，增加少量的鰭片即可滿足自然對流散熱要求。

注：上述產(chǎn)品“基于SiC-MOSFET自然散熱設計的一體化伺服電機系統(tǒng)”的控制板、驅動板、功率板為邁信電氣自主研發(fā)設計。

CoolSiC? MOSFET的應用優(yōu)勢

1、較低的導通損耗

SiC MOSFET的通態(tài)壓降由其溝道的RDS(on)決定，而IGBT的通態(tài)壓降由PN結和漂移區(qū)電阻構成。在電機驅動類應用中，通常負載電流區(qū)間小于器件的標稱電流值，因此SiC MOSFET的導通損耗優(yōu)于同等規(guī)格的IGBT器件。

2、較低的開關損耗

SiC MOSFET開通關斷速度均快于IGBT，且沒有拖尾電流。常溫下，SiC MOSFET的開通損耗約是同等規(guī)格IGBT的50%，關斷損耗約是20%。值得注意的是，高溫下SiC MOSFET開關損耗受結溫的影響不大，而IGBT的開關損耗可能增加一倍以上。

3、優(yōu)異的開關速度可控性

CoolSiC? MOSFET測試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的可控性，僅通過Rg阻值大小即可調節(jié)其開關速度，進而優(yōu)化Eon，Eoff，dv/dt等指標。

系統(tǒng)損耗和溫升仿真

基于伺服應用的實際工況，通過仿真軟件模擬了周期性過載3倍額定電流輸出下的損耗及溫升，條件如下：

Vdc=800V，Uout=400V, Iout=20Arms，cosφ=0.8, fout=50Hz， fsw=20kHz，Th=110℃,20% duty per second.
結果顯示，每個SiC-MOSFET平均功耗約4.4W，每周期結溫溫升約35K，離Tvjmax=175℃仍有較大裕量。

散熱鰭片設計及熱仿真

根據(jù)損耗仿真的結果，可以按照30W的耗散功率通過下面公式來計算自然散熱需要的鰭片個數(shù)（面積）： 

S=Pavg/(h×?T)

S：散熱面積；Pavg：平均功耗

h：換熱系數(shù)；?T：平均溫差

根據(jù)計算出的結果，來設計后蓋的具體尺寸。最后將3D模型輸入到熱仿真軟件中，結果如下：

? 在環(huán)溫40℃下，外殼表面溫度約70~80℃；

? 鋁基板表面最高溫度約113℃，此溫度近似等同于Th溫度。

因此，自然對流散熱可滿足SiC MOSFET器件的散熱需求，無風扇設計也有助于提高系統(tǒng)可靠性。

原理樣機設計

試驗結果

在實驗室中，對電機施加模擬慣量負載，完成了電機的正反轉極限加減速試驗。試驗中通過控制器分別給予時間寬度為150ms和50ms加減速信號，電機長期工作在正反轉往復狀態(tài)（+1500rpm~-1500rpm），其峰值電流分別達到了11A和28A，最大輸出能力得到了驗證。

說 明 

? 本項目由英飛凌、晶川和邁信共同合作開發(fā)，感謝各方的努力付出。 

? 開發(fā)過程中的部分設計文檔和測試報告，后期可以分享給英飛凌的客戶使用。 

? 基于功率板和驅動板的評估套件正在準備中，后期可在英飛凌官網(wǎng)鏈接申請購買。

更多信息敬請關注：1. Infineon PCIM virtual booth 2020（2020.6.30~7.3）?7月3日13:30-14:00的演講題目：CoolSiC? MOSFET in SMD package for servo drives-A new level of simplicity and safety in high-voltage auxiliary circuitry.2. PCIM Asia（已推遲到2020年11月）即將發(fā)表的文章<An integrated servo motor drive with self-cooling design using SiC -MOSFETs>