【導讀】工業(yè)電機驅動(dòng)器涵蓋廣泛的應用，從低壓工業(yè)驅動(dòng)器（例如風(fēng)扇、泵和傳送帶、熱泵和空調）以及伺服驅動(dòng)器。據估計，這些通常由交流電源驅動(dòng)的電動(dòng)機占工業(yè)用電量的 70-80%。因此，人們有強烈的動(dòng)機來(lái)提高這些驅動(dòng)器的效率。即使該參數的微小改進(jìn)也能在節省能源和成本方面產(chǎn)生深遠的影響。國際電化學(xué)委員會(huì ) (IEC) 為電機和集成電機驅動(dòng)器制定了各種效率標準。例如，現在主要國家都要求采用IE3標準。在歐盟，額定輸出功率在 75 kW 至 200 kW 之間的電機需要符合 IE4 標準。
基于 SiC 器件的電機驅動(dòng)
工業(yè)電機驅動(dòng)器涵蓋廣泛的應用，從低壓工業(yè)驅動(dòng)器（例如風(fēng)扇、泵和傳送帶、熱泵和空調）以及伺服驅動(dòng)器。據估計，這些通常由交流電源驅動(dòng)的電動(dòng)機占工業(yè)用電量的 70-80%。因此，人們有強烈的動(dòng)機來(lái)提高這些驅動(dòng)器的效率。即使該參數的微小改進(jìn)也能在節省能源和成本方面產(chǎn)生深遠的影響。國際電化學(xué)委員會(huì ) (IEC) 為電機和集成電機驅動(dòng)器制定了各種效率標準。例如，現在主要國家都要求采用IE3標準。在歐盟，額定輸出功率在 75 kW 至 200 kW 之間的電機需要符合 IE4 標準。
傳統電機驅動(dòng)系統基于硅 (Si) 器件，例如 IGBT。 SiC 的許多材料優(yōu)勢直接轉化為更低的功率損耗，從而提高效率。這一優(yōu)勢隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增加而增加，預計在 16 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下的 25kW 應用中，基于 1200 V SiC MOSFET 的逆變器比 IGBT 提高了 2.2%。更高的頻率允許使用更小的無(wú)源器件。其他好處包括減少可聽(tīng)噪音、提高電機轉速以及提高控制精度。需要功率因數校正 (PFC) 級的電機可以進(jìn)一步受益于 SiC 器件的使用，例如用于升壓級的肖特基二極管，以及更簡(jiǎn)單的拓撲，例如使用 SiC MOSFET 的無(wú)橋圖騰柱。使用 SiC 可以簡(jiǎn)化冷卻要求并減小整體系統尺寸。雖然 SiC 可實(shí)現更快的轉換速率 (dv/dt)，但由于寄生效應產(chǎn)生的過(guò)沖，可能會(huì )對電機軸承造成損害。然而，SiC MOSFET dv/dt 可以通過(guò)柵極電阻 RG 輕松控制，并且即使在較慢的 dv/dt 下，其效率也可以顯著(zhù)優(yōu)于 Si IGBT。
因此，該套件適用于 230 V 交流電源下額定功率為 15 kW 或更低的電機，或者使用 400/480 V 交流電源時(shí)額定功率為 30 kW 的電機。
該套件包括：
承載功率 MOSFET 子卡和相關(guān)柵極驅動(dòng)器板以及控制器板的主板。三相主板利用了從早期半橋主板每個(gè)相中獲得的知識。這包括限度地減少電源和柵極環(huán)路中的寄生電感。邊緣卡配置連接子板。直流總線(xiàn)沿電路板的長(cháng)度分布，并采用交錯連接，以限度地減少電感。其中包括對關(guān)鍵參數的監控，例如每相和直流母線(xiàn)的電流傳感器、漏極電壓和相電壓感測。使用差分運算放大器相對于直流總線(xiàn)測量每相電壓。該信號被按比例縮小，然后用于饋送控制器。柵極驅動(dòng)器可以使用主板上的漏極電壓傳感器來(lái)監控 MOSFET 的漏極-源極 (VDS) 電壓，以進(jìn)行短路檢測?？刂齐娫葱枰獑蝹€(gè) 12 V 電源。 CAN 接口（或 USB）允許與計算機和圖形用戶(hù)界面 (GUI) 進(jìn)行外部通信。該板還包括用于閉環(huán)電機控制的旋轉變壓器和編碼器接口。
每相需要 3 個(gè)柵極驅動(dòng)器卡。該套件與 Analog Devices、Skyworks 和 Texas Instruments 等合作伙伴公司的隔離式 2 通道柵極驅動(dòng)器卡兼容。這些卡已經(jīng)過(guò)兼容性和驅動(dòng) Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的能力測試。需要注意的是，并非所有這些卡都支持短路測試或具有米勒鉗位，這可能是選擇驅動(dòng)卡時(shí)需要考慮的因素。
功率MOSFET子卡可選用Wo lfspeed的SiC MOSFET，額定電壓為650 V至1200 V，具有多種導通電阻（RDSON），封裝類(lèi)型包括通孔和表面貼裝。目前，該套件有超過(guò) 20 個(gè)子卡可供使用，并且隨著(zhù)時(shí)間的推移還會(huì )添加更多子卡。這些子卡包括一個(gè)預組裝的散熱器，與主板上的風(fēng)扇對齊以實(shí)現高功率測試?？梢钥焖俑鼡Q子卡，以根據應用需求執行比較測試和 MOSFET 選擇。該平臺支持標準 B6 逆變器拓撲，每個(gè)開(kāi)關(guān)位置有一個(gè)設備。
控制卡：NXP 制造的高壓控制卡，可與該套件一起使用。這些卡充當開(kāi)發(fā)三相 PMSM、BLDC 和 ACIM 控制和功率因數解決方案的平臺。該平臺與恩智浦的微控制器 (MCU) 和數字信號控制器 (DSC) 兼容。這些范圍從 48 MHz MCU 到能夠以數百 MHz 運行的控制器。 MCU 基于 ARM Cortex。先進(jìn)的i.MX RT 系列 MCU 具有實(shí)時(shí)控制功能，其中包括用于組合電機和運動(dòng)控制的多核選項。 DSC 可以提供低延遲和先進(jìn)的計算能力。這些控制器包括支持閉環(huán)電機控制所需的所有外設，例如運算放大器、正交解碼器、ADC、PWM 引擎等。固件開(kāi)發(fā)是 NXP 提供的一項關(guān)鍵支持功能，詳細信息如下。
可選的降壓-升壓濾波器板可以連接到主板的中間相，以將系統作為降壓或升壓轉換器運行。該套件還可借助可選的空芯電感器用于 MOSFET 的雙脈沖測試 (DPT) 表征。對于 DPT 測試，可以選擇用于 I DS測量的電源子卡上的分流電阻器來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)能量測量（較高值）與功率測試（較低值）。
開(kāi)發(fā)流程
讓我們看看用戶(hù)使用此套件進(jìn)行三相電機驅動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)可以采取的一些步驟：
MOSFET 表征初可以通過(guò) DPT 測試來(lái)完成。這可以幫助確定初始 R G和 dv/dt，并測量開(kāi)關(guān)損耗和過(guò)沖。接下來(lái)，可以調整柵極驅動(dòng)和 R G 、優(yōu)化死區時(shí)間、執行短路測試并檢查波形，以確保柵極和漏極電壓位于安全工作區 (SOA) 內。
隨后可以在應用負載點(diǎn)執行高功率測試。這會(huì )測試柵極驅動(dòng)器、MOSFET 和系統控制參數。系統優(yōu)化將涉及調整開(kāi)關(guān)頻率、死區時(shí)間和環(huán)路控制參數。 NXP 的 FreeMASTER 調試和數據可視化工具有一個(gè)名為電機控制應用調整工具 (MCAT) 的插件模塊。這樣可以實(shí)時(shí)監控、調整和更新電機控制參數。該工具生成的電機識別可用作調整的起點(diǎn)?；蛘?，將外部電機模型（例如 Simulink）的數據到 MCAT 工具上。 MCAT 內的全套實(shí)時(shí)控制嵌入式軟件庫 (RTCEL)，例如數學(xué)、PI 和 PID 控制查找表和控制算法的通用功能、支持磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的電機控制調制、數字濾波器庫等都是其中的一部分。 RTCEL 還包括用于無(wú)傳感器控制的電機控制庫 (AMCLIB)。 MCAT 工具獨立于 MCU。如圖 2 所示，MCAT 的輸出是一個(gè)頭文件，可以合并到終軟件中。
圖 2：Wolfspeed 三相電機控制 SpeedVal 套件中使用的恩智浦 MCAT 電機調諧流程（來(lái)源：Wolfspeed）
開(kāi)關(guān)優(yōu)化之后可以進(jìn)行全面的性能驗證，測試所選硬件和使用的參數的效率和穩健性。圖 3 顯示了執行逆變器測試時(shí) GUI 輸出的示例。該接口允許開(kāi)箱即用的測試，無(wú)需編程。
圖 3：運行逆變器測試時(shí)的 SpeedVal 套件 GUI 輸出（來(lái)源：Wolfspeed）
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