BLDC电机的使用量正在持续增长。作为主要市场驱动力之一，工业类电机应用节能指令也已提出新要求。
根据相关政策，欧盟计划到2035年实现2000亿美元的能耗节省，要求自2025年开始家电设备待机能耗需要低于300mW，其中洗碗机必须增加30%的效率。
印度市场则因气候炎热和人口众多，需要大量使用吊扇，而目前使用的多为低效的单相感应电机。为了实现50%的能效提升，印度政府正致力于提高能效，计划将老式风扇更换为BLDC电机驱动的风扇。
BLDC电机的优势不仅在于能效，还包括静音效果、精确控制和减少设备宕机时间。例如，在暖通空调应用中，BLDC电机能够实现气流的精确控制，提升用户体验。同时，通过预测电机寿命，提前更换电机，可以显著减少设备宕机时间。
BridgeSwitch™-2 IC是PI近期推出的第二代BLDC电机驱动IC产品。相较于第一代，该产品功率输出大幅提升，能够满足1马力单相或三相电机的应用需求。其次，待机功耗显著降低，提高了能源利用效率。此外，产品还引入了可预测性系统维护功能，能够准确判断电机损耗情况，提醒用户及时更换，延长了整机设备的使用寿命。
图1 BridgeSwitch™-2 IC应用场景
在性价比方面，新产品通过半桥集成和PCB板散热设计，减少了传统散热片的需求，降低了成本。同时，采用IPH内部电流检测技术，不仅提升了效率，还减少了外围元件的数量，进一步节省了成本。
提升电机效率与散热设计优化
在电机控制系统中，效率是至关重要的一环。PI针对功率开关管的特性进行了优化，特别是功率开关管体二极管的反向恢复特性进行了优化，适合电机类感性负载的应用，实现了电机在高效率下运行的同时，也优化了EMI表现。在高功率应用中，即使是微小的效率提升，也能显著降低功率器件IC的温升，减轻散热压力。
在电机正常运转期间，这些产品内部集成的高压FREDFET开关管，可以确保满足高压BLDC电机的使用需求，通常这类高压BLDC电机的母线电压为320V的直流高压。逆变器由三个半桥电路构成，由辅助供电电源提供15V驱动电压和3.3V给MCU供电，以执行FOC无感控制运算。这种设计实现了高达99%的变换效率，对于750W的系统，损耗仅为7.5W，显著提升了系统性能。
此外，电机控制方案支持各种电机控制算法，包括BLDC电机控制，通过MCU实现精确的电机控制，包括转速、噪音及波形等参数的优化。这不仅提升了电机的性能，也为终端客户提供了更灵活的研发空间。
为了简化散热设计，PI还推出了新的功率器件封装技术。对于小功率应用，沿用了紧凑型设计的InSOP-24C封装，通过回流焊方式实现PCB板上的散热。对于如500W和750W系列的大功率输出应用，则推出了适用于高功率电机应用的InSOP-L38封装，其更大的体积和更低的热阻，使之能够处理更高的输出功率。
BridgeSwitch™-2 IC采用了集成半桥(HB)架构。通过每个半桥单独的封装进行散热，这种布局增加了与PCB板的接触面积，从而减少了对外加散热片的依赖。相比传统的IPM模块，该方案显著降低了IC温度，最高可降低30°C以上，且散热效果更佳，更适合将逆变器驱动板内置于电机外壳中。
内置电流检测功能与睡眠模式优化
电机系统由电机驱动器和逆变器构成，其中逆变器采用三个桥接器件，并通过软件(MCU)实现闭环的开关控制。在电机控制中，电流检测是不可或缺的环节。PI采用内置电流检测(IPH)技术，取代了传统的外部电流检测电阻，显著降低了逆变器损耗10%以上，同时改善了温升表现。
IPH技术不仅提高了电流检测的准确性，避免了噪声干扰，还产生了更理想的正弦波电流，从而降低了谐波成分，提高了系统效率，并减少了噪音。与传统的分流器检测方式相比，IPH技术不仅节省了成本，还显著提升了波形质量。
更重要的是，通过精确检测相电流，可以准确预估电机的寿命。随着电机使用时间的增加，磨损和摩擦会导致电流波形畸变。通过监测这些变化，可以提前预知电机的磨损程度，并在电机即将失效前进行维护，从而显著缩短设备停机时间，提高用户体验。据测试显示，使用IPH技术的预测准确度高达92.5%，而传统方法仅为55%。
与第一代产品相比，第二代产品将驱动电压调整为15V，以兼容常见的IPM模块供电电压。同时，这代产品引入了睡眠模式功能，以进一步降低待机功耗。举例来说，当设备在30秒或三分钟内不工作时，MCU会检测并指令辅助供电电源降低输出电压至6V。此时，逆变器通过自供电方式继续操作，MCU则发出睡眠指令使构成逆变器的功率器件进入睡眠模式。
在睡眠模式下，系统功耗显著降低至小于10mW，远低于ERP标准要求的300mW。这一优化不仅满足了严格的功耗要求，还为用户提供了更好的待机体验，允许在待机模式下实现更多待机功能。
电机系统软件开发解决方案
电机系统的开发不仅涉及硬件，软件同样至关重要。为简化开发过程，PI提供了一套完整的软硬件搭配解决方案，包括逆变器的IC和MotorXpert电机调试软件。
图2 总体的逆变器设计解决方案
该软件具有图形用户界面，允许用户手动输入参数以观察电机的旋转表现，包括效率、噪音和电流波形等。通过接口板与逆变器连接，实现双向故障传输，确保用户能实时了解系统状态。软件通过PWM控制信号调节半桥电路，并利用IPH电流反馈进行检测，以优化系统性能。
MotorXpert软件功能强大，支持单相或三相电机的启动、停止和实时参数调整。用户无需停机即可改变电机转速等参数，通过PID调节实现电机不同工作状态的平稳过渡。软件还提供可视化信息，包括故障显示和电机实时参数监控以及数字示波器功能，实时显示电流波形。
整个软件设计易于使用，无需编程知识，用户可直接通过图形界面设定参数。调试完成后，软件程序代码可拷贝至MCU进行批量生产。
需要注意的是，该解决方案只支持功能相对来讲比较高级的BLDC应用，而内部集成的高压FREDFET功率开关管，使其更适合于高压的BLDC电机应用。对于设备功能比较简单的仅有电机运转的低端应用，一些厂商可能选择将开关与控制软件集成到一个封装中，但对于高端产品或大型家电市场，仍需依赖MCU来实现复杂的功能控制，这也是BridgeSwitch的主要应用范畴。
图3 BridgeSwitch™-2 IC应用场景
BridgeSwitch™-2和MotorXpert的完美搭配非常适用于高达1马力功率的电机应用，如冰箱压缩机、暖通空调、洗碗机、油烟机热泵、循环泵、吊扇、滚筒洗衣机、研磨机、搅拌机等。目前，PI可接受6月底前的量产订单。InSOP-28C封装将于2024年第二季度末入市。 |
