高效率工業馬達設計要素

作者 : Rohm

實現更高效更節能的馬達系統對整個工控系統的運行效率和成本效益具有決定性的作用,對整個世界的節能環保同樣意義非凡。

作為全球能源消耗的重點產品,各類馬達消耗了全球一半以上的功率資源,足見馬達應用在整個社會運轉中的重要作用,特別是在各種數位化產業升級趨勢的引領下,功能越來越強大的馬達系統,在工控應用中發揮著越來越重要的作用。因此,如何實現更高效更節能的馬達系統,對整個工控系統的運行效率和成本效益具有決定性的作用,對整個世界的節能環保同樣意義非凡。

工業馬達是馬達應用的關鍵領域,沒有高效的馬達系統,就無法搭建先進的自動化生產線,由於應用條件比較苛刻和對性能要求比較嚴格,設計複雜的工業馬達系統涉及眾多元件產品,不同產品在整個系統中各司其職,共同打造出高效可靠的完整馬達解決方案。對典型的工業馬達系統來說,除了標準的馬達控制單元之外,功率元件決定著系統的能效,控制電源能夠確保系統的可靠性,感測器則能大幅提升系統的自動化和智慧化,出色的馬達系統同樣離不開這些元件的協同工作。

為了滿足使用者需求,羅姆(Rohm)除了提供各種先進的馬達系統用先進元件如功率元件、感測器介面和穩壓器等,還打造了諸多系統級解決方案,協助客戶打造先進的工業馬達系統。

高效功率元件

輸出功率是馬達系統最重要的指標之一,輸入輸出功率比則是代表了馬達的工作效率,如何充分的提升工業馬達系統的能源轉換效率需要充分的提升馬達的輸出功率,採用先進的功率元件能夠直觀的提升系統的效率。以羅姆的功率元件產品為例,針對不同的設計特性,可提供從半導體晶圓到晶片,從離散式元件到功率模組等多樣化產品。

作為第三代半導體代表性技術,碳化矽(SiC)功率元件具有高耐壓大功率等特點,非常適合追求更高頻率和更高效率的系統。羅姆可以提供內建高電壓、大電流功率元件的高性能模組,以及包括晶片、功率封裝、表面封裝等多種規格的高性能SiC MOSFET和SiC SBD等產品,即使不斷提高頻率也能維持整個系統的高效率,從而加速客戶工控裝置馬達的創新。

除SiC MOSFET和SBD,羅姆專為馬達及逆變器節能化所研發的PrestoMOS系列對內建600V超接合面MOSFET的二極體進行了最佳化,其恢復時間(trr)相較於傳統產品減少了80%,同時可以有效降低切換損耗、提升馬達系統的再生性能,降低馬達系統的EMI雜訊,抑制煞車時的逆電壓。

此外羅姆的650V耐壓快速恢復二極體,可以安全抑制煞車時的逆電壓,並透過反覆改善軟恢復特性,提供了恢復時間與正向電壓折衷的特性,易於實現馬達系統的低EMC雜訊。另外根據實際不同需要,提供了突出軟恢復並實現包括振鈴在內的低雜訊化「低正向電壓/超低雜訊系列」和透過實現高速恢復降低了恢復能量的「高恢復時間/超低雜訊」系列,滿足客戶不同系統的設計需求。

羅姆還提供閘極驅動器和內建絕緣元件的閘極驅動器系列產品。透過以多通道閘極驅動器來構成逆變器驅動電路,可以安全的構建半橋應用,從而防止高側和低側同時開路,透過提供1200V高側浮動耐壓,協助客戶研發兼顧安全性和功能性的馬達系統。羅姆也提供內建自舉二極體的BS2132F產品,在以6通道高側和低側構建小型化系統的同時,可以根據系統設定過電流檢測值,進而提高系統安全性。

內建絕緣元件的閘極驅動器產品方面,羅姆可以提供3,750V絕緣耐壓的驅動器,並以超薄封裝實現系統的小型化。而具有2,500V絕緣耐壓以及多種安全性能的產品系列,可以透過監視閘極狀態檢測功率元件的驅動異常,並透過溫度關斷預防熱失控,還能透過軟關斷安全的控制功率元件,從而大幅提升馬達系統的可靠性。

決定馬達系統穩定的穩壓器

穩定是工業馬達系統最重要的安全性能指標之一,穩定的馬達控制系統首先需要正確且穩定的控制電源,羅姆除了提供轉換器、變頻器、控制電路的一級側電源和二級側非絕緣電源用DC/DC轉換器以及輸入+24V絕緣電源之外,還提供了包括參考設計、客製化電路支援、變壓器設計支援、從AC/DC到DC/DC的一條龍設計支援,以及相關電氣特性的測試支援等服務。

羅姆提供的AC400V~AC690V控制電源用高耐壓一次電源解決方案提供外接SiC MOSFET和內建SiC MOSFET兩種形態,還具備易用評估套件、應用說明,可以協助客戶進行機台設計並擴大了適用範圍。該方案充分發揮了專為工控裝置輔助裝置電源所研發的1700V耐壓SiC MOSFET的高速性和低RDS(on)的一次側電源電路與SiC專用高壓輸入AC/DC控制器組合,為客戶提供了綜合解決方案的參考設計。

在AC100V~AC240V的控制電源用中耐壓一次側電源IC方面,羅姆提供內建650V/800V MOSFET 的AC/DC轉換器的參考方案,具有輸入AC電壓監測、高精度二次側過壓保護、電流檢測電阻的開路和短路保護以及動態過電流限制等功能,並提供10年供貨保障的低EMI LB等級驅動電路。此外,羅姆還提供可廣泛應用於商用電源(AC90V~AC264V)及DC 24V~28V電源的絕緣用控制IC系列,透過選擇直流外接低耐壓的MOSFET或交流外接650V/800V MOSFET,構成適用於輸入電壓的絕緣型切換電源電路。

在穩壓應用方面,羅姆還提供二次側電源用恆壓穩壓器和突波吸收用二極體,以及高效率小型化的二次側電源用DC/DC轉換器,供客戶在設計完整馬達系統時選擇採用。

感測器——精確運動控制的得力助手

馬達系統最主要的工作任務之一就是運動控制,而運動控制需要正確傳遞動作的感測器,對馬達系統來說,將感測器的類比資訊轉換為數位的AD轉換器非常重要。羅姆在這方面同樣提供了豐富的元件陣容,例如電流檢測用分流電阻、旗下Kionix檢測振動並通知裝置異常的三軸加速度感測器,以及AD轉換器等類比介面豐富的旗下LAPIS工業用微控制器ML62Q1000系列等,滿足客戶對各種工業馬達的設計需求。

羅姆的GMR系列大功率分流電阻具有在大功率區域損耗較少,並能以高精度進行電流檢測的優勢,透過最佳化電極結構和電阻體元件設計,降低了發熱,結合在較低電阻領域也能達到優良的電阻溫度係數,和可實現較高的保證額定功率等優點,大幅提升了系統安全性、穩定性和可靠性。適用於中功率馬達的電流感測器用途的分流電阻LTR低阻值系列,透過長邊電極結構來縮短端子間的距離,減輕對焊接結合部的機械應力,從而可更加適應溫度變化並大幅提升連接的可靠性。

工業馬達系統的資料讀取裝置是感測器的重要應用之一,讀取這些資料有助於對馬達系統的運轉情況和健康情況進行更好的監測。在工控裝置的監測用途方面,羅姆旗下Kionix的三軸加速度感測器KX134-1211和KX132-1211的工作溫度提升到105度,適用於各種頻率和加速度監測,特別符合工控裝置的馬達振動分析等監測需求。溫度感測IC則在單晶片中內建了溫度監測元件、定電流電流、高精度基準電源電壓,可運用於需要溫度檢測的各種電子裝置。

構建系統級方案

透過元件在高效率和高可靠性方面的優勢,羅姆將功率元件、穩壓器和感測器控制等三大應用面適合的產品組合成為解決方案,幫助客戶更快速、高效率地研發先進的馬達系統,服務不斷變革的工業自動化應用。

在率先推出的三大系統級解決方案中,三相AC400V輸入工業用逆變器驅動器方案集合了羅姆眾多SiC元件和功率模組。羅姆不僅研發了多種先進的SiC元件,同時也在研發IGBT元件,並提供驅動元件的閘極驅動器、用於控制電源的內建SiC的AC/DC轉換器等,配合感測器介面和穩壓器等產品,便於客戶快速打造出符合需求的高可靠性高效率解決方案。

 

三相AC400V輸入工業用逆變器驅動器

 

相較之下,中壓應用的三相AC100~240V輸入工業用AC伺服系統,則是整合了600V IGBT-IPM和煞車用的IGBT、快速恢復二極體以及內建3750V耐壓絕緣元件的閘極驅動器等。對於AC伺服系統,感測器的重要性不亞於功率元件,羅姆在該方案中提供了有助於控制系統的豐富感測器和微控制器產品,包括工控裝置專用的旗下Kionix的3軸加速度感測器和旗下LAPIS的強化微控制器等,為客戶提供完整且可以快速成型的系統級解決方案。

 

三相AC100~240V輸入工業用AC伺服系統

 

對自動門、遮罩門等嵌入式工控裝置,以及對電池驅動的AGV、電動輪椅和福利設施等非絕緣馬達應用,羅姆也可以根據用途以系統的形式提供解決方案,為裝置啟動提供快速支援。在AC100~240C和DC24V~48V非絕緣馬達驅動系統解決方案中,羅姆提供600V IGBT-IPM、IGBT/MOSFET高低側三相橋驅動器和工業用16位元微控制器等產品。

 

單相AC100V〜AC240V非絕緣馬達驅動系統

 

而隨著AI技術的廣泛應用,羅姆還推出了為AI智慧控制的AGV、用於醫療及護理現場的行動方式和近距離通勤車的小型行動工具所研發,以充電電池為動力源的低電壓、非絕緣馬達驅動參考設計(根據用途不同提供~50W,~150W和~300W三種類),並提供了綜合設計支援,對於從啟動時就需要低速、高扭矩的應用,利用羅姆的預驅動器、閘極驅動器和MOSFET等元件,建構出小型高效率的參考設計方案。

 

DC24V~48V非絕緣馬達驅動系統

 

展望未來

工業領域的快速發展與馬達產品的技術進步是相輔相成的。隨著現代工業生產的資訊化和自動化程度不斷加深,融合了馬達、診斷、保護、控制、通訊等功能的智慧馬達系統需求也將越來越大,要求也會越來越嚴格,羅姆將持續研發工業馬達內部的各類先進元件,用更多創新的產品與解決方案,協助客戶打造因應時代需求的現代工業馬達系統。

 

 

 

 

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