作者：Doctor M
前不久，世界氣象組織（WMO）在最新的氣象通報(bào)中表示，未來5年，全球年均溫度將有50%的概率至少有一年暫時(shí)比工業(yè)化前水平高1.5攝氏度。該機(jī)構(gòu)提示這會(huì)帶來嚴(yán)重的影響，70%-90%珊瑚礁將消失，海平面上升等等。二氧化碳含量增加是最大的罪魁禍?zhǔn)住?br>
為了避免全球年均溫度進(jìn)一步上升，突破《巴黎協(xié)定》所規(guī)定的2攝氏度目標(biāo)，在21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)“碳中和”，不僅是世界各國(guó)的國(guó)際責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也是降低人類生存威脅必須要做的。
為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，每一個(gè)高耗能的環(huán)節(jié)都需要得到改善，比如電機(jī)。根據(jù)國(guó)際能源署最近的一項(xiàng)調(diào)查，電機(jī)耗電量占工業(yè)領(lǐng)域耗電量的大約2/3，占全球耗電量的大約46%。因此，提升電機(jī)能效、高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵。今天我們就來聊一聊如何系統(tǒng)地改善電機(jī)能效，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上在售的電子元器件如何能夠幫助廣大設(shè)計(jì)者。
高效電機(jī)助力“碳中和”
電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。從定義可以看出，電機(jī)是靠電力來驅(qū)動(dòng)的，正如上述數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的，電機(jī)是世界上耗電量最大的單種類設(shè)備。
上述數(shù)據(jù)已經(jīng)提到，電機(jī)耗電在全球工業(yè)耗電中占比很高，在中國(guó)情況也是類似的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)電機(jī)每年耗電量占全社會(huì)用電量的69%，占工業(yè)用電的75%。造成這種情況的主要原因是中國(guó)綠色電機(jī)滲透率不足，《電機(jī)能效提升計(jì)劃2018》中提到，2018年中國(guó)高效電機(jī)滲透率僅為3%。參考中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會(huì)方面的數(shù)據(jù)，目前這一關(guān)鍵指標(biāo)仍不足10%。而《工業(yè)能效提升計(jì)劃2022》則要求，2025年新增高效電機(jī)的占比要達(dá)到70%以上。
如果高效電機(jī)能夠普及，將對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)有重要意義。根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)火力發(fā)電占發(fā)電總量的71.13%。全球方面，2021年全球化石能源發(fā)電占總發(fā)電量的62%。從這一維度看，電機(jī)間接導(dǎo)致了全球二氧化碳含量的上升，提升電機(jī)能效將會(huì)顯著減少能源需求，降低全球二氧化碳的排放量。
想要提升電機(jī)的能效水平，首先可以從電機(jī)適配角度去考慮。比如永磁同步電機(jī)就比較適用于負(fù)載變化比較頻繁、且空載情況較多的應(yīng)用場(chǎng)景，比如車床、機(jī)床和拉絲設(shè)備等，能夠起到很好的節(jié)能效果。
也可以從電機(jī)設(shè)計(jì)角度入手，通過改良相關(guān)設(shè)計(jì)來降低損耗并提升散熱效果。一般電機(jī)的損耗主要包含以下幾種——鐵心損耗、定子/轉(zhuǎn)子銅損、風(fēng)磨損耗以及雜散損耗，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有持續(xù)改良的空間。比如使用銅繞組的電機(jī)可以通過增大銅線的線徑，大幅減少銅線的繞組，進(jìn)而降低損耗，并減少散熱。
為了能夠降低電機(jī)的能耗，廠商也會(huì)專門打造節(jié)能技術(shù)，變頻調(diào)速就是一項(xiàng)典型的節(jié)能技術(shù)。傳統(tǒng)電機(jī)在工作的過程中，當(dāng)負(fù)載大幅減小或者空載時(shí)，輸入功率并沒有改變，只是輸出功率發(fā)生了變化，這樣就浪費(fèi)了大量的電能。通過采用變頻技術(shù)，電機(jī)的能效能夠得到大幅提升。相關(guān)電機(jī)廠商的數(shù)據(jù)顯示，變頻技術(shù)一般能節(jié)電10%-50%。
另外，更智能、精準(zhǔn)的電機(jī)控制系統(tǒng)也可以幫助提升電機(jī)能效。電機(jī)控制講究“一升一降”，其中“一升”是指提升電機(jī)FOC（field-oriented control，磁場(chǎng)導(dǎo)向控制）控制算法效率，“一降”則是要降低功率器件損耗和電機(jī)損耗。目前，在電機(jī)FOC控制算法里，已經(jīng)廣泛出現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和人工智能算法相結(jié)合，這些算法能夠持續(xù)優(yōu)化電機(jī)的效率，提升控制位置的精準(zhǔn)度，減少不必要的電流損耗。
最后，就要談到我們今天的“主角”——電機(jī)驅(qū)動(dòng)。觀察各大原廠的解決方案后不難發(fā)現(xiàn)，目前“電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)”是一個(gè)融合概念，這其實(shí)很好理解，因?yàn)殡姍C(jī)控制是“決策系統(tǒng)”，和控制算法強(qiáng)相關(guān)，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)是“執(zhí)行系統(tǒng)”，后者接收到前者的控制信號(hào)，然后將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到特定的角度，送到特定的位置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)有專門的驅(qū)動(dòng)器以及配套的驅(qū)動(dòng)電路，要想從這一點(diǎn)上提升電機(jī)能效，就要從以下幾個(gè)方面入手。
針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)通和開關(guān)損耗小的驅(qū)動(dòng)器能夠幫助設(shè)計(jì)者顯著降低系統(tǒng)損耗，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變頻化也是大趨勢(shì)。比如在交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上，通過使用變頻驅(qū)動(dòng)器取代單速控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的電子速度控制和更高的驅(qū)動(dòng)能效。在配套電路上，專門優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)往往能夠起到很好的節(jié)能效果。比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于橋電路的使用，我們進(jìn)一步以汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，這里驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上就是逆變器，在逆變器電路中往往會(huì)使用多個(gè)半橋電路，以此來提升系統(tǒng)效率。還有一個(gè)重要的方向是提升電機(jī)輸入電壓值，這樣便能夠大大減小恒功率時(shí)段電機(jī)的損耗，不過這種趨勢(shì)也對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路提出了更高的要求，需要更高性能的保護(hù)元器件。
通過上述方法，便能夠大幅降低電機(jī)的能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)有巨大的賦能價(jià)值。接下來，我們就來看一下，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上在售的元器件，如何在一些具體的環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要價(jià)值。
Littelfuse柵極驅(qū)動(dòng)器
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的過程中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自微控制器或者微處理器，但是這個(gè)信號(hào)并不能夠直接啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要經(jīng)過柵極驅(qū)動(dòng)器將電壓或者電流放大。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里的基礎(chǔ)器件，也是不可或缺的器件。
我們今天推薦的第一款器件便是來自制造商Littelfuse的柵極驅(qū)動(dòng)器，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為L(zhǎng)F2136BTR。
LF2136BTR
LF2136BTR是一款三相柵極驅(qū)動(dòng)器IC，專為高壓、高速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可用于驅(qū)動(dòng)半橋配置。該器件基于高壓工藝打造，高壓側(cè)能夠在自舉操作中切換到600V的高壓。同時(shí)，LF2136BTR具有很好的驅(qū)動(dòng)特性、兼容特性和保護(hù)特性。該器件具有高脈沖電流緩沖器，旨在實(shí)現(xiàn)最小的驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)；能夠和CMOS電平（低至3.3V）兼容，可輕松與控制設(shè)備連接，并在高噪聲環(huán)境中啟用低電平以更好地工作；提供多種保護(hù)功能，包括直通保護(hù)、欠壓鎖定、過流保護(hù)等。
圖1：LF2136BTR典型應(yīng)用框圖（圖源：Littelfuse）
LF2136BTR是Littelfuse柵極驅(qū)動(dòng)器系列中的一款，除了LF2136BTR這種三相柵極驅(qū)動(dòng)器IC，還包括高壓高速柵極驅(qū)動(dòng)器，均具有高壓屬性，以及優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)特性、兼容特性和保護(hù)特性，并且都能夠在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內(nèi)工作，可用于打造半橋柵極驅(qū)動(dòng)器、三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器。其中，半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器可經(jīng)過進(jìn)一步設(shè)計(jì)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器、交流-直流逆變器電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、D類功率放大器等應(yīng)用；三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器則可以用于三相電機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)器、白色家電-空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、工業(yè)電機(jī)逆變器-電動(dòng)工具、機(jī)器人，以及通用三相變頻器等。
在助力“碳中和”實(shí)現(xiàn)方面，LF2136BTR的高壓特性以及最小的驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)都能夠發(fā)揮重要價(jià)值。
雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
在經(jīng)典電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，其中有一種電路的造型長(zhǎng)得像字母H，如下圖所示，因此也被稱為“H橋驅(qū)動(dòng)”。綜合來看，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有高效、方向控制和制動(dòng)等突出優(yōu)點(diǎn)。
圖2：H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（圖源：硬件攻城獅博文）
今天要介紹的第二款器件便是一款雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，來自制造商Texas Instruments，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為DRV8428PPWPR，大家可以通過搜索此編號(hào)找到這款器件。
DRV8428PPWPR
DRV8428PPWPR是適用于各種工業(yè)應(yīng)用的雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙極性步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)雙向有刷直流電機(jī)或四個(gè)單向有刷直流電機(jī)。根據(jù)PCB設(shè)計(jì)方案的不同，該器件能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A滿量程或0.7A RMS輸出電流。
圖3：DRV8428PPWPR簡(jiǎn)化示意圖（圖源：Texas Instruments）
DRV8428PPWPR是一款集成度非常高的器件，輸出級(jí)包括N溝道功率MOSFET（配置為兩個(gè)全H橋）、電流檢測(cè)/調(diào)節(jié)以及保護(hù)電路。其中，集成式電流感應(yīng)功能采用內(nèi)部電流鏡架構(gòu)，無需檢流電阻，滿量程電流精度為±6%；保護(hù)特性包括VM欠壓鎖定、過流保護(hù)和熱關(guān)斷，在有刷直流應(yīng)用中，還能夠?qū)崿F(xiàn)浪涌電流限制。高集成度以及領(lǐng)先的工藝，讓DRV8428PPWPR具有更小的封裝尺寸，更小的占板面積，降低系統(tǒng)成本。
在應(yīng)用方面，DRV8428PPWPR領(lǐng)先的產(chǎn)品特性可以賦能有刷直流電機(jī)、打印機(jī)和掃描儀、點(diǎn)鈔機(jī)和EPOS、辦公和家居自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人、小家電、掃地機(jī)器人、類人機(jī)器人等領(lǐng)域。
DRV8428PPWPR也有很多優(yōu)秀的性能幫助降低系統(tǒng)功耗和損耗，其中高集成特性能夠減少電路板和其他器件消耗，同時(shí)該器件具有低功耗休眠模式，可通過關(guān)斷大部分內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流消耗。
即用型電機(jī)控制套件
接下來，我們進(jìn)一步延伸到系統(tǒng)方案的介紹。開發(fā)人員都有明顯的感受，在方案開發(fā)的過程中，如果有一款出色的開發(fā)套件可以使用的話，那么整個(gè)開發(fā)進(jìn)程將大大提速，縮短產(chǎn)品的上市周期。而我們接下來要介紹的是一款即用型電機(jī)控制套件。
這款套件來自制造商Infineon Technologies，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為MOTORCONTROLKIT12VTOBO1。
MOTORCONTROLKIT12VTOBO1
為什么說MOTORCONTROLKIT12VTOBO1為即用型套件呢，因?yàn)樘准锍薓OTIX™嵌入式功率IC，還有360°角度傳感器以及集成式霍爾效應(yīng)開關(guān)，面向低壓電機(jī)控制應(yīng)用，可以直接用于快速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。
MOTORCONTROLKIT12VTOBO1可以視為TLE9879評(píng)估套件，上面的TLE9879QXA40器件是MOTIX™嵌入式功率IC和單芯片三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、片上系統(tǒng)（SoC）解決方案的一部分。這款器件具有非常高的集成度，內(nèi)部集成LIN收發(fā)器、橋接驅(qū)動(dòng)器和電源等，基于Arm® Cortex- M3內(nèi)核打造，可支持實(shí)施高級(jí)電機(jī)控制算法，例如無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）。
MOTORCONTROLKIT12VTOBO1上的角度傳感器型號(hào)為TLE 5012B-E1000，可以實(shí)現(xiàn)360°角度測(cè)量，具有0.01°的分辨率，在整個(gè)使用壽命和溫度范圍內(nèi)的最大角度誤差為1.0°。集成式霍爾效應(yīng)開關(guān)的具體型號(hào)為TLE 4968- 1L，專門用于高精度應(yīng)用。其具有出色的電源電壓能力，采用非穩(wěn)壓電源供電，過壓能力高達(dá)42V，無需外部電阻器，并且通過有源誤差補(bǔ)償進(jìn)一步提高了器件精度。該套件可用于泵、風(fēng)扇和三相BLDC電機(jī)應(yīng)用等。
如上所述，MOTORCONTROLKIT12VTOBO1在各個(gè)環(huán)節(jié)都彰顯了自己的高精度特性，能夠大幅減少系統(tǒng)中不必要的電流損耗，進(jìn)而提升電機(jī)能效。
讓電機(jī)控制更安全的TVS二極管
為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制，降低電機(jī)不必要的能耗，電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)電路中的元器件變得越來越精細(xì)，因而也就需要更全方位的保護(hù)。下面為大家?guī)硪豢畛Ｓ玫谋Ｗo(hù)性元器件——TVS二極管。
這款TVS二極管依然是來自制造商Littelfuse，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的制造商編號(hào)為SZ1SMA30CAT3G。
SZ1SMA30CAT3G
SZ1SMA30CAT3G是單向和雙向器件，設(shè)計(jì)用于保護(hù)電壓敏感電子產(chǎn)品免受高電壓、高能量瞬變的影響。該器件具有出色的鉗位能力、高浪涌能力、低齊納阻抗和快速響應(yīng)時(shí)間，峰值功率可達(dá)400W（1ms時(shí)），正向浪涌電流最高為40A。
圖4：SZ1SMA30CAT3G功能框圖（圖源：Littelfuse）
SZ1SMA30CAT3G采用Littelfuse獨(dú)有、具有成本效益、高度可靠的封裝，通過平面處理表面，幫助用戶實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確貼裝，可用于頂部滑動(dòng)或底部電路板安裝的封裝設(shè)計(jì)。
通過出色的產(chǎn)品性能，SZ1SMA30CAT3G能夠?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)帶來更可靠的安全防護(hù)，幫助打造控制更精確、能耗更低的電機(jī)方案。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)的未來趨勢(shì)
實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)是一個(gè)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)，如以上數(shù)據(jù)所述，電機(jī)作為最大的單體耗能設(shè)備，未來隨著汽車電動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化等趨勢(shì)，電機(jī)的需求依然會(huì)高速增長(zhǎng)，其能耗是一個(gè)需要持續(xù)優(yōu)化的重點(diǎn)方向。各國(guó)政策對(duì)此非常關(guān)注，比如在中國(guó)，除了上述提到的由中國(guó)工信部印發(fā)的《工業(yè)能效提升計(jì)劃》，還有國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和工信部聯(lián)合印發(fā)的《電機(jī)能效提升計(jì)劃》等等，其中都對(duì)提升電機(jī)能效做出了關(guān)鍵性指示。
比如《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》要求，以電機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)制造、技術(shù)創(chuàng)新、推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)服務(wù)為重點(diǎn)方向，積極實(shí)施節(jié)能改造升級(jí)和能量系統(tǒng)優(yōu)化，不斷提升電機(jī)系統(tǒng)能效，支撐重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域節(jié)能提效，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)。
面向未來，電機(jī)將朝著數(shù)字化、輕量化、小型化、高效率、高功率密度等方向繼續(xù)發(fā)展，而電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)在其中扮演著重要角色。因此，除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和其他配套芯片的出貨量將大幅增加之外，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)也較為明確。為了讓整個(gè)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外部看起來更加簡(jiǎn)潔，減少耗材，相關(guān)元器件的集成度將再次提高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)也將更加智能、靈活，對(duì)電機(jī)各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的控制將會(huì)是獨(dú)立且精準(zhǔn)的；反饋電路將更加完整、多元，使得動(dòng)力輸出更加合理；為了減少系統(tǒng)發(fā)熱，會(huì)不斷追求更高壓的驅(qū)動(dòng)技術(shù)；對(duì)安全性要求更高，要做到高度可靠。
當(dāng)然，所有這些趨勢(shì)的目標(biāo)都是為了打造更加高效節(jié)能的電機(jī)系統(tǒng)，而貿(mào)澤電子網(wǎng)站上銷售的電子元器件將為此提供強(qiáng)力支持，攜手設(shè)計(jì)者們一起為打造“綠色地球”貢獻(xiàn)力量。 |
