无刷直流电机设计流程（直流无刷电机设计教程）

前言

无刷直流电机(BLDC) 设计很复杂。从MOSFET、IGBT 和栅极驱动器的庞大产品组合开始选择电子元件（旧的起点）可能会令人望而生畏。

安森美半导体通过带来“新的一阶近似起点”来提供帮助，该起点提供与开关（N-FET或IGBT）匹配的栅极驱动，更接近客户的最终决定并跨越“旧起点”——看似无穷无尽的其中包括5 个综合表，涵盖电机电压：12 V、24 V、48 V、60 V、120 V、200 V、300 V、400 V 和650 V，功率高达6 kW。

无刷直流电机(BLDC)

与有刷永磁直流(PMDC) 电机相比，无刷直流(BLDC) 电机具有许多优势，尤其是可靠性更高、几乎无需维护、电气和声学噪声更低、热性能更好、转速范围更高以及功率密度更高。典型的BLDC 电机在转子上使用永磁体，在定子上使用三个电枢绕组（U、V、W）。微控制器(MCU) 实施各种控制和调制方案（梯形、正弦、带SVM 的FOC、DTC 等）之一，以策略性地为电机绕组供电。这会产生电磁场，导致转子磁体和定子绕组之间产生相互作用力。如果操作正确，这种相互作用力可以精确地控制电机在所需方向上的速度、扭矩或功率。

图2 显示了典型三相BLDC 电机的框图。 MCU 执行控制和调制方案固件，该固件向其PWM 外设发出指令，以向三个半桥栅极驱动器输出六个协调的占空比。这三个驱动器充当输出桥中六个功率MOSFET 的动力转向装置，为下部(LS) 和上部(HS) U、V 和W MOSFET 供电。这些通常是N 沟道MOSFET，额定电压为电机电压的1.5~2.0 倍，最高可达300 V。在300 V 以上，N 沟道MOSFET 由于其更高的功率性能而经常被IGBT 取代。

MCU 可以通过FAN4852 CMOS 运算放大器（9 MHz 典型带宽）测量流经每个绕组的电流，并使用可选的霍尔效应传感器反馈来评估转子的角位置。无传感器架构可能是可行的，但需要更多的处理开销。 RSL10 BLE 可用于资产跟踪、固件无线更新(FOTA)、功能选择/调整和遥测数据收集。

BLDC 片材#1:12 V 和24 V (N-FET)，功率高达1.1 kW

下面的表1 列出了“新的一阶近似起点”，为12V 时93W 至372W 以及24V 时186W 至1.1KW 的N 沟道MOSFET 提供匹配的BLDC 栅极驱动。

BLDC 表#2:48 V 和60 V (N-FET) 高达1.5 kW

下面的表2 列出了“新的一阶近似起点”，为48 V 时186 W 至1.5 kW 以及60 V 时186 W 至1.5 kW 的N 沟道MOSFET 提供匹配的BLDC 栅极驱动。

BLDC 表#3:48 V 和60 V (N-FET)，功率高达3 kW

下面的表3 列出了“新的一阶近似起点”，为120 V 时186 W 至1.8 kW 以及200 V 时186 W 至3 kW 的N 沟道MOSFET 提供匹配的BLDC 栅极驱动。

BLDC 表#4:300 V 和400 V (IGBT) 高达6 kW

下面的表4 列出了“新的一阶近似起点”，用于为300 V 时372 W 至4.5 KW 以及400 V 时372 W 至6 kW 的IGBT 提供匹配的BLDC 栅极驱动。

BLDC 仪表#5:300 V、400 V 和650 V (IPM)，功率高达6 kW

下面的表5 列出了集成功率模块(IPM) 的“新一阶近似起点”，其中栅极驱动器和IGBT 集成到一个易于使用的模块中，300 V 时功率为372 W 至4.5 KW ，400 V 电源从372 W 到6 kW，650 V 电源从372 W 到6 kW。

安森美半导体提供了一个很好的在线工具，用于构建带有IPM（集成电源模块）的BLDC。用户输入15 个操作条件，该工具会生成多个详细的分析表以及12 个捕获关键热和功率性能的图表（图3）。

BLDC 表#1-#5

BLDC 很复杂，从开始到结束需要做出数百个决策。例如，如果您有3 个不同的客户； A、B 和C（图1），从相同的“起点”（24 V、11/4 hp 电机）开始，当所有3 个客户浏览他们各自的决策树时，他们的最终设计将完全不同。这是因为每个客户对成本、能源效率、功率密度、外形尺寸、维护、使用寿命等都有自己的门槛。

因此，既定的栅极驱动器和开关（MOSFET/IGBT）匹配表不可能适合每个客户。如果我们尝试，对一个客户有效的方法可能不适用于另外999 个客户。然而，我们可以基于智能工程考虑做出一些合理的假设，并产生一个“一阶近似值”，该近似值介于交给客户的开关和栅极驱动器组合（旧起点： 是您自己的）和客户的最终值之间的某个位置。决定。

一阶近似工程注意事项

成本：我们努力在满足以下考虑因素的同时筛选最低成本。

拓扑结构：选择梯形（又名六步控制）换向是因为它控制相对简单，并且能产生高效率和高峰值扭矩。由于任一时间只有两个电源开关打开，因此每个开关的“打开时间”占空比为33%。

PWM 占空比：PWM 频率为15 kHz。这是大多数6 kW 以下BLDC 的典型情况。

栅极驱动器：结隔离栅极驱动器。这些表不包括电气隔离。

温度：环境温度85。

栅极驱动计算：额定栅极驱动通过Q G(TOT)(nC) 除以开/关时间(ns) 计算得出。我们为N-FET 选择50 ns 开/关时间，为IGBT 选择200 ns 开/关时间。

N-FET 结温：表面贴装封装（无散热器）的(T j) 根据T j=P DISS x R JA + 环境温度计算，至少比最大额定T j 留出25C 的余量。

在：

- R JA=从结到环境的热阻

IGBT结温：带散热器的通孔封装的IGBT结温（T j）的计算公式为T j=P DISS 50C裕度。

在：

- R JC=结到外壳热阻

- R CS=从外壳到散热器的热阻

- R SA=从散热器到环境的热阻

N-FET 功耗：I PHASE (A) x R DSON（欧姆）。

IGBT功耗：开关损耗+导通损耗+二极管损耗

在：

- 开关损耗=E ts (J) x PWM 频率(Hz)

- 传导损耗=I 相(A) x V CE(SAT) (V)

- 二极管损耗=（开关损耗+ 传导损耗）x 0.25

额定开关电压：N-FET V(BR)DSS 和IGBT VCES=2-3x 电机电压

额定开关电流：N-FETID 和IGBTIC=3 x I PHASE。

电机相电流：I PHASE=1.23 x P OUT/V BUS

在：

- IPHASE=电机相电流，安培

- POUT=从逆变器到电机的电力输出

- PF=电机功率因数，0.01.0，1.0 是理想值（我们假设0.85）

- VBUS=电机总线电压，VDC 或24 V

- MI=调制指数，0.0 1.0，典型值为0.9（我们假设0.9）

转载自——onsmei 无刷直流（BLDC）电机设计的新起点