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最新訊息 > 鋰電池供電的無刷直流電機設計考慮

文章来源:由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://www.eepw.com.cn/article/201808/387907.htm"

消費者希望電池供電產品具有優異的可靠性并延長電池使用壽命,如手持電動工具、便攜式醫療設備或家庭自動化產品。隨著這些產品的市場迅速增長,制造商們開始采用新一代鋰離子電池(Li-ion)供電的無刷直流(BLDC)電機。本文引用地址:http:www.eepw.com.cnarticle201808387907.htm無刷直流電機非常適合于需要高可靠性、高效率和高功率密度的應用。由于沒有電刷磨損和更換,無刷直流電機的可靠性非常高。因此,其預期壽命顯著高于有刷電機,從而大大延長產品的使用壽命。從另一方面看,鋰電池已廣泛應用于各種消費電子產品,如智能手機和平板電腦等。鋰電池以其優異的能量密度和靜態電荷損失緩慢的特點,成為用途最廣的電池之一。鋰電池不僅用于消費電子產品,而且正在越來越多的應用于過去采用鉛酸蓄電池的產品,如高爾夫球車、電動割草機等。新型鋰電池供電的無刷電機工作時間長,產品可靠性更高,從而促進了電池供電的電動產品市場的發展。許多產品正在進行這種新電池的升級,包括手鉆、鏈鋸、鼓風機等電池供電工具,以及小型電動車輛(電動自行車和輪椅)和不間斷電源等。這些新產品還需要更新驅動MOSFET的橋式驅動器,以利用各種功能,同時減少其配合集成式的BLDC電動機與鋰電池產生的問題。特別是,新型橋式驅動器提供的創新安全功能,可防止電機負載再生減速期間電池充電失控導致鋰離子電池損傷和損壞,進一步延長電池以及多節鋰電池供電產品的使用壽命。升級到鋰離子電池和無刷直流電機鋰離子電池的高能量密度是優于其他電池技術(如鎘鎳、鎳氫或鉛酸電池)的一個主要優勢。通常情況下,鋰電池能量密度是其它電池技術的兩到三倍。能量密度高可以減小電池組尺寸,減輕手持電動工具的重量并進一步小型化。此外,在不增加原有電池組尺寸或重量的情況下,可以延長電動自行車或輪椅等的工作時間。不過,高能量密度的鋰電池并非沒有應用方面的問題。鋰電池不是我們通常對電池理解意義上的電壓源。鋰電池內部電感相當高(100-500nH),導致采用PWM技術驅動電機時產生明顯的紋波電壓。簡單的解決辦法是在MOSFET橋間增加足夠電容,但由于受到空間、成本的限制,無法采用這種方法。除空間有限外,PCB結構約束也是許多使用電池供電的手持電動工具的主要問題。在一些應用中,橋臂間跨接很小的電容也會使橋路產生嚴重的電壓紋波。以18-20V的鋰電池為例,大負載條件下,采用最小限度容量橋接電容的鋰電池谷值電壓可能低至5V,峰值電壓則高達36V。另一個考慮因素是過載期間的工作條件,如轉子停轉,這種情況下,電池電壓會下降到非常低的值。這些例子中,要求控制器(而不是驅動器)能夠決定如何對這些極端工作條件做出反應。采用BLDC電機有多個理由。BLDC電機最大轉速(RPM)主要受轉子結構限制,而有刷直流電機的轉速主要受電刷本身的限制。大部分應用采用減小傳動比的方法,將電機轉速降低到應用所需的轉速。由于無刷直流電機的轉速要比有刷電機快很多倍,因此通過相應調整傳動比,物理尺寸比較小的無刷直流電機可以產生同樣的轉速和作用扭矩。無刷直流電機的另一個顯著優點是消除了電刷磨損及其產生的嚴重電磁干擾(EMI)。在延長工作時間方面,無刷直流電機的明顯優勢是效率高,一般優于同類有刷直流電機150%以上。無刷直流電機也有其自身的應用問題:主要是驅動電路增加了復雜性(參見圖1)。單向有刷電機驅動應用中,只需要一個MOSFET橋路。雙向有刷電機驅動需要兩個橋路。而無刷直流電機即使單向應用也需要三個橋路。這種復雜性的提高要求減小體積或采用高功能集成電路,以減少元器件數量、物料清單(BOM)成本、節省有效空間,尤其是在空間受限的應用環境下,如電池供電的電鉆。Figure1.三種常見電機驅動應用舉例。電池供電電機橋路驅動器應具備七種功能1.由于大部分電機驅動應用的橋路驅動器需要較低的偏置電流,控制器(一般為數字信號處理器(DSP)或微控制器)同樣需要較低的偏置電流,因此集成線性穩壓器(LDO)并帶有使能控制用以支持橋驅動器的工作電壓是需要的,橋路驅動器為12VDD,控制器為3.3VCC。2.可機械開關控制的LDO使能輸入端的用以保證LDO無振動導通。3.保證超低靜態電流,以減少電池電耗。理想情況下,可采用睡眠模式,當存在橋路電壓,而應用不工作時,確保關閉驅動器。4.在電池電壓低至5V的條件下保證橋路不間斷運行。這可以通過~4.2V欠壓鎖定來實現。傳統橋路驅動器UVLO典型值為7.5V。5.必須具備相位節點(HS)的高瞬間負偏壓耐受能力。橋路FET開關電流逐漸提高已成為電機驅動的一種趨勢(200A)。隨著開關電流提高以及非理想PCB布局結構的約束,減小PCB寄生電感造成的HS引腳負瞬態高壓沖擊是PCB設計的難點。6.在大量應用中必須最大限度減小封裝尺寸,以節省布板空間。縮小封裝還便于將驅動器安放在靠近FET的位置,緩解PCB布局欠佳帶來的問題。7.驅動器橋路額定電壓應達到50V,保證電池電壓在36V條件下還能可靠運行。由于能夠顯著地延長鋰電池供電設備的電源使用時間和產品整體壽命,橋路驅動器特別適合用于新一代BLDC電動機驅動器。當前市場上,增強電池續航能力、設備使用壽命和高可靠性的產品成為消費者的首要選擇。新型橋路驅動器支持鋰電池供電的BLDC電機,滿足并優于市場需求。工具欄:IntersilHIP2100半橋驅動器自1995年推出以來已為系統設計人員廣泛采用。由于不需要散熱器、可采用低成本MOSFET、易用、高效的HIP2100半橋驅動器成為設計使用的卓越器件,可靠降低各種形狀和尺寸設計的功耗。十年前,公司推出新的增強散熱效率的小型封裝,符合當時為確保系統長期可靠性而要求的高壓節點之間0.6mm間距的標準。2014年,這一長達幾十年的產品系列進行了又一次升級,推出了HIP21034半橋、全橋驅動器,工作電壓5V至50V,可幫助顯著延長多節鋰離子電池供電設備的電源使用時間和產品整體壽命。新型HIP2103和HIP2104橋路驅動器可配置的拓撲結構支持半橋、全橋和三相電機驅動的應用。

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