BLDC滲透率持續(xù)增加，高壓集成半橋(IHB)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC成剛需

隨著家用電器、工業(yè)自動(dòng)化、汽車系統(tǒng)以及可再生能源領(lǐng)域等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝?、?jié)能、可靠、低維護(hù)成本等方面的需求提升，有刷電機(jī)工作中存在的摩擦、損耗、效率低、打火花、EMI差等問題成為行業(yè)發(fā)展的絆腳石，因此可以一定程度上克服這些問題的無刷直流電機(jī)（BLDC）的市場(chǎng)滲透率正在持續(xù)增加。

根據(jù)上海電機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球BLDC的市場(chǎng)規(guī)模約為163.0億美元，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)224.4億美元。

BLDC面臨三大市場(chǎng)機(jī)遇

縱觀當(dāng)前BLDC行業(yè)發(fā)展，全球范圍內(nèi)來看正面臨三大市場(chǎng)機(jī)遇。

• 機(jī)遇一：工業(yè)類電機(jī)應(yīng)用節(jié)能指令的新要求

歐盟計(jì)劃到2035年節(jié)省2000億美元的能耗，想要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，很大程度上取決于電機(jī)的能源消耗改善，因?yàn)殡姍C(jī)在很多工業(yè)類電機(jī)系統(tǒng)中的能耗占比達(dá)到了50%-60%。

以洗碗機(jī)行業(yè)為例，歐盟對(duì)其要求是必須增加30%的效率，而這30%的效率提升主要貢獻(xiàn)將來自于電機(jī)轉(zhuǎn)換效率的提升，若依舊采用原來使用最多的、較低端的有刷電機(jī)，加上不太有好的控制算法，是完全無法實(shí)現(xiàn)的，因此這里面蘊(yùn)含著更新?lián)Q代的市場(chǎng)機(jī)遇。

此外，歐盟ErP還要求，自2025年開始待機(jī)能耗需要< 300mW，老指標(biāo)是< 500mW，這就會(huì)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)待機(jī)功耗、MCU睡眠模式，以及無線藍(lán)牙的能耗等因子提出更高的要求，這會(huì)同步帶來電機(jī)更新?lián)Q代和技術(shù)創(chuàng)新的需求。

• 機(jī)遇二：印度對(duì)于吊扇應(yīng)用其致力于50%的節(jié)能目標(biāo)

在印度，吊扇是家庭降暑的重要電器，據(jù)估算在目前的印度家庭中約有8億個(gè)吊扇在使用，而它們采用的都是效率較低的單相感應(yīng)電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)吊扇50%的節(jié)能目標(biāo)，印度政府計(jì)劃將吊扇中的單相感應(yīng)電機(jī)切換到BLDC的應(yīng)用，這會(huì)直接帶來BLDC的巨大市場(chǎng)需求。

• 機(jī)遇三：用戶期望有更好的產(chǎn)品使用體驗(yàn)

用戶對(duì)電機(jī)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)要求正在逐漸提升，包括對(duì)家電中靜音效果的要求，對(duì)暖通空調(diào)應(yīng)用中對(duì)氣流的精確控制要求，以及對(duì)家電設(shè)備更少宕機(jī)時(shí)間的要求等，這些都間接提升了市場(chǎng)對(duì)BLDC的需求。

三大BLDC控制方案對(duì)比，高壓集成半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案是最優(yōu)解

當(dāng)前市場(chǎng)上有三種BLDC的控制方案，包括IPM方案、傳統(tǒng)分立式半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案和集成半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。

這三種方案之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

根據(jù)Power Integrations資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan的介紹，IPM方案更適合于一些功率比較小的應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)镮PM將6個(gè)功率管合封在一個(gè)器件中，集中的熱源會(huì)帶來散熱問題，一般都需要加散熱片來輔助散熱，而由此帶來的絕緣、安規(guī)和高度問題也會(huì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的挑戰(zhàn)。

相比IPM方案，傳統(tǒng)的分立式半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中驅(qū)動(dòng)IC各自封裝，在PCB Layout時(shí)可以做到均勻分布，可在一定程度上解決功率器件的散熱問題，不過在電機(jī)控制精度、相電流檢測(cè)、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、系統(tǒng)成本和效率等方面依舊存在不少問題。

對(duì)此，Power Integrations（以下簡稱PI）推出將2個(gè)功率管進(jìn)行合封的集成半橋(IHB)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)品系列BridgeSwitch?-2，來解決以上問題。

圖 | BridgeSwitch?-2，左側(cè)為C封裝，右側(cè)為W封裝，來源：PI

據(jù)悉，BridgeSwitch-2 IC的功率范圍為30W至746W (1HP)，分為較小功率的C封裝型號(hào)，和較大功率的W封裝型號(hào)，總體應(yīng)用非常廣泛，包括熱交換器風(fēng)扇、冰箱壓縮機(jī)、流體循環(huán)泵、燃?xì)忮仩t燃燒風(fēng)扇、洗衣機(jī)滾筒以及廚房攪拌機(jī)和攪拌器。

對(duì)此，Jason Yan表示：“基于IGBT的IPM模塊方案更適合小功率的應(yīng)用，而BridgeSwitch?-2適合高達(dá)1馬力 (746W)的應(yīng)用場(chǎng)景，且為母線電壓高達(dá)300-320V左右的優(yōu)電壓源的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器設(shè)計(jì)。相較于分立式設(shè)計(jì)，BridgeSwitch?-2采用的IHB架構(gòu)省去了電流檢測(cè)電阻和相關(guān)信號(hào)調(diào)整電路，元件數(shù)量減少了50%，PCB空間減少了30%。此外還消除了檢測(cè)電阻損耗，進(jìn)一步提高了效率。通過內(nèi)置的相電流(IPH)信息實(shí)時(shí)報(bào)告功能，可實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制。通過對(duì)門極開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的精確控制以及使用具有軟恢復(fù)特性的體二極管FREDFET，其典型的EMI特性表現(xiàn)比現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器低10dB，因此可以選用更小的EMI濾波器?！?/p>

此外，BridgeSwitch-2 IC具有內(nèi)置直流過壓保護(hù)和電流限制功能，無需依賴系統(tǒng)軟件即可保護(hù)逆變器和系統(tǒng)?？蛇x擇錯(cuò)誤標(biāo)志或全面的故障母線報(bào)告功能來滿足各種系統(tǒng)要求?，F(xiàn)在，憑借高精度的內(nèi)置IPH信息和通過故障母線提供的全面報(bào)告，可以實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)等新興應(yīng)用的使用需求。BridgeSwitch-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用內(nèi)置的基于硬件的下管和上管過流保護(hù)，符合IEC 60335-1 A類要求。

值得一提的是，BridgeSwitch-2無需輔助電源即可工作，從而進(jìn)一步減小PCB面積和減少元件數(shù)量。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不僅依賴于硬件，還需要軟件支持

每一個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開軟件的支持，只有將MCU中的軟件和算法做到與硬件的最佳匹配，才能讓BLDC運(yùn)轉(zhuǎn)更順暢、更精確，也更持久。

事實(shí)上，軟件的調(diào)優(yōu)在電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的，細(xì)節(jié)決定成敗，因?yàn)槊恳粋€(gè)采購回來的電機(jī)參數(shù)都會(huì)有所不同，比如轉(zhuǎn)子的慣性不同，旋轉(zhuǎn)公差不同，音頻噪聲高低不同等，這些都需要進(jìn)行調(diào)試。

圖 | PI提供基于GUI的工具“終端仿真器”——MotorXpert，來源：PI

為了降低用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的難度，縮短產(chǎn)品入市時(shí)間，PI還提供了基于GUI的工具“終端仿真器”——MotorXpert，以及符合MISRA C標(biāo)準(zhǔn)的代碼庫，其中包括單相梯形控制和三相無傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)模塊，從而可實(shí)時(shí)優(yōu)化電機(jī)工作架構(gòu)，無需重復(fù)更新固件。

圖 | 采用集成半橋 (IHB) 架構(gòu)將IC溫度降低30° C以上，來源：PI

另外，在用戶進(jìn)行PCB Layout時(shí)，PI還提供了PI Expert電源設(shè)計(jì)軟件，版圖工程師可以通過該軟件對(duì)器件溫升進(jìn)行估算，從而給PCB板散熱面積設(shè)計(jì)提供建議。

圖 | PI Expert?可優(yōu)化逆變器性能且可即時(shí)計(jì)算溫升數(shù)值，來源：PI

綜上，PI提供的是BLDC電機(jī)一站式解決方案，其中使用軟硬件結(jié)合的方式可以將BLDC電機(jī)逆變器睡眠模式功耗降低至10mW以下，輸出功率擴(kuò)展至1馬力。

寫在最后

關(guān)于出貨價(jià)格和代理商情況，根據(jù)PI側(cè)的消息，BridgeSwitch-2 IC基于10,000片的訂貨量單價(jià)為每片0.48美元。同時(shí)提供一款150W參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)報(bào)告RDK-974，可供免費(fèi)下載。該產(chǎn)品采用直銷和分銷結(jié)合的銷售模式，授權(quán)分銷商包括：DigiKey、Newark、Mouser和RS Components。