【導讀】工業電機驅動器涵蓋廣泛的應用，從低壓工業驅動器（例如風扇、泵和傳送帶、熱泵和空調）以及伺服驅動器。據估計，這些通常由交流電源驅動的電動機占工業用電量的 70-80%。因此，人們有強烈的動機來提高這些驅動器的效率。即使該參數的微小改進也能在節省能源和成本方面產生深遠的影響。國際電化學委員會 (IEC) 為電機和集成電機驅動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
工業電機驅動器涵蓋廣泛的應用，從低壓工業驅動器（例如風扇、泵和傳送帶、熱泵和空調）以及伺服驅動器。據估計，這些通常由交流電源驅動的電動機占工業用電量的 70-80%。因此，人們有強烈的動機來提高這些驅動器的效率。即使該參數的微小改進也能在節省能源和成本方面產生深遠的影響。國際電化學委員會 (IEC) 為電機和集成電機驅動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。
傳統電機驅動系統基于硅 (Si) 器件，例如 IGBT。 SiC 的許多材料優勢直接轉化為更低的功率損耗，從而提高效率。這一優勢隨著開關頻率的增加而增加，預計在 16 kHz 開關頻率下的 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源器件。其他好處包括減少可聽噪音、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，以及更簡單的拓撲，例如使用 SiC MOSFET 的無橋圖騰柱。使用 SiC 可以簡化冷卻要求并減小整體系統尺寸。雖然 SiC 可實現更快的轉換速率 (dv/dt)，但由于寄生效應產生的過沖，可能會對電機軸承造成損害。然而，SiC MOSFET dv/dt 可以通過柵極電阻 RG 輕松控制，并且即使在較慢的 dv/dt 下，其效率也可以顯著優于 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 子卡和相關柵極驅動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相中獲得的知識。這包括限度地減少電源和柵極環路中的寄生電感。邊緣卡配置連接子板。直流總線沿電路板的長度分布，并采用交錯連接，以限度地減少電感。其中包括對關鍵參數的監控，例如每相和直流母線的電流傳感器、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。柵極驅動器可以使用主板上的漏極電壓傳感器來監控 MOSFET 的漏極-源極 (VDS) 電壓，以進行短路檢測。控制電源需要單個 12 V 電源。 CAN 接口（或 USB）允許與計算機和圖形用戶界面 (GUI) 進行外部通信。該板還包括用于閉環電機控制的旋轉變壓器和編碼器接口。
每相需要 3 個柵極驅動器卡。該套件與 Analog Devices、Skyworks 和 Texas Instruments 等合作伙伴公司的隔離式 2 通道柵極驅動器卡兼容。這些卡已經過兼容性和驅動 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，這可能是選擇驅動卡時需要考慮的因素。
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），封裝類型包括通孔和表面貼裝。目前，該套件有超過 20 個子卡可供使用，并且隨著時間的推移還會添加更多子卡。這些子卡包括一個預組裝的散熱器，與主板上的風扇對齊以實現高功率測試。可以快速更換子卡，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，每個開關位置有一個設備。
控制卡：NXP 制造的高壓控制卡，可與該套件一起使用。這些卡充當開發三相 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。先進的i.MX RT 系列 MCU 具有實時控制功能，其中包括用于組合電機和運動控制的多核選項。 DSC 可以提供低延遲和先進的計算能力。這些控制器包括支持閉環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。固件開發是 NXP 提供的一項關鍵支持功能，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進行開關能量測量（較高值）與功率測試（較低值）。
開發流程
讓我們看看用戶使用此套件進行三相電機驅動開發時可以采取的一些步驟：
MOSFET 表征初可以通過 DPT 測試來完成。這可以幫助確定初始 R G和 dv/dt，并測量開關損耗和過沖。接下來，可以調整柵極驅動和 R G 、優化死區時間、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執行高功率測試。這會測試柵極驅動器、MOSFET 和系統控制參數。系統優化將涉及調整開關頻率、死區時間和環路控制參數。 NXP 的 FreeMASTER 調試和數據可視化工具有一個名為電機控制應用調整工具 (MCAT) 的插件模塊。這樣可以實時監控、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。或者，將外部電機模型（例如 Simulink）的數據到 MCAT 工具上。 MCAT 內的全套實時控制嵌入式軟件庫 (RTCEL)，例如數學、PI 和 PID 控制查找表和控制算法的通用功能、支持磁場定向控制 (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（來源：Wolfspeed）
開關優化之后可以進行全面的性能驗證，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 GUI 輸出的示例。該接口允許開箱即用的測試，無需編程。
圖 3：運行逆變器測試時的 SpeedVal 套件 GUI 輸出（來源：Wolfspeed）
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