馬達設(shè)計的技巧

布局約束因素
現(xiàn)今的可調(diào)速驅(qū)動電路都采用變頻器來調(diào)整輸出電流，以滿足三相馬達的要求。變頻器的形狀大小通常會受到應(yīng)用的限制。在許多情況下，電路板與馬達靠得很近，而馬達構(gòu)造的高度也會受限。另外，所用高功率半導(dǎo)體器件的物理性質(zhì)和所選封裝的形狀，也要求電路板上有足夠的位置空間。功率半導(dǎo)體開關(guān)工作期間產(chǎn)生的電壓、電流交疊會造成損耗，必須將其消除。雖然功率耗散問題可以通過加設(shè)散熱片而得到改善，但這也會限制半導(dǎo)體器件在電路板上的布局安排。

變頻器是達到EcoDesign節(jié)能要求的關(guān)鍵技術(shù)。美國電力科學(xué)研究院（Electric Power Research Institute）的研究表明，采用變頻器的馬達比無變頻器的馬達節(jié)能多達40%。無論是感應(yīng)馬達、永磁同步馬達，還是無刷直流馬達，都可由變頻器為其產(chǎn)生正弦電流。為此，開關(guān)頻率必須比變頻器的可調(diào)輸出頻率高幾個數(shù)量級。而經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的輸出電壓則會施加在電感性負載上。因此，輸出電流與電壓的平均值成正比。開關(guān)頻率越高，對變頻器越有利；而驅(qū)動的扭矩波動越小，動態(tài)響應(yīng)性能便更高，噪聲也會變得更低。這就要求開關(guān)速率快，而開關(guān)速率快意味著di/dt和dv/dt的變化率通常都很高。因此，電路寄生就成為一個大問題，設(shè)計人員必須努力解決這個問題，才能滿足目前和未來的EMC標準要求。

成本是電路布局必須考慮的另一個約束因素。許多情況下，都采用雙面電路板。而電路板上的不同區(qū)域常常只能使用一種焊接工藝。因此，就提高成本效益而言，表面貼裝半導(dǎo)體器件是越來越受歡迎的解決方案。

設(shè)計考慮因素
目前，大功率半導(dǎo)體器件(如IGBT和MOSFET)的發(fā)展趨勢是在提升性能的前提下不斷縮小芯片尺寸。減小芯片尺寸能減少器件的寄生電容，從而提高開關(guān)速率。因此，深入研究電路板上的關(guān)鍵回路越來越重要。圖1為電壓源變頻器(voltage source inverter，VSI)的兩種典型開關(guān)工作方式的簡化示意電路。在開關(guān)頻率受限的大電流應(yīng)用中，IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(cè)(HS)續(xù)流二極管到低壓側(cè)IGBT的換流。電流最初是在高壓側(cè)二極管和相應(yīng)反相半橋的IGBT形成的續(xù)流通道中。

圖1 簡化的換向電路

一旦低壓側(cè)柵極驅(qū)動電路導(dǎo)通了IGBT，就會有短路電流經(jīng)過高壓側(cè)二極管和低壓側(cè)IGBT。其結(jié)果是二極管電流降低，IGBT電流相應(yīng)增加(自然換相：12)，在開關(guān)期間，電感性負載的電流可視為常數(shù)。因此，雜散部件與該通道無關(guān)。開關(guān)速率由低壓側(cè)IGBT的導(dǎo)通和半橋的雜散電感來決定。要實現(xiàn)從低壓側(cè)IGBT到高壓側(cè)續(xù)流二極管的反向換流，低壓側(cè)IGBT上的壓降必須大于直流總線電壓，以導(dǎo)通續(xù)流二極管。因此，IGBT在與二極管換流(強制換相：21)之前必須能同時承受高電壓和大電流。