【導讀】前不久，世界氣象組織（WMO）在最新的氣象通報中表示，未來5年，全球年均溫度將有50%的概率至少有一年暫時比工業(yè)化前水平高1.5攝氏度。該機構提示這會帶來嚴重的影響，70%-90%珊瑚礁將消失，海平面上升等等。二氧化碳含量增加是最大的罪魁禍首。
為了避免全球年均溫度進一步上升，突破《巴黎協(xié)定》所規(guī)定的2攝氏度目標，在21世紀下半葉實現(xiàn)“碳中和”，不僅是世界各國的國際責任擔當，也是降低人類生存威脅必須要做的。
為實現(xiàn)“碳中和”目標，每一個高耗能的環(huán)節(jié)都需要得到改善，比如電機。根據(jù)國際能源署最近的一項調查，電機耗電量占工業(yè)領域耗電量的大約2/3，占全球耗電量的大約46%。因此，提升電機能效、高效驅動電機是實現(xiàn)“碳中和”的關鍵。今天我們就來聊一聊如何系統(tǒng)地改善電機能效，貿澤電子網(wǎng)站上在售的電子元器件如何能夠幫助廣大設計者。
高效電機助力“碳中和”
電機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。從定義可以看出，電機是靠電力來驅動的，正如上述數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的，電機是世界上耗電量最大的單種類設備。
上述數(shù)據(jù)已經(jīng)提到，電機耗電在全球工業(yè)耗電中占比很高，在中國情況也是類似的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國電機每年耗電量占全社會用電量的69%，占工業(yè)用電的75%。造成這種情況的主要原因是中國綠色電機滲透率不足，《電機能效提升計劃2018》中提到，2018年中國高效電機滲透率僅為3%。參考中國工業(yè)經(jīng)濟聯(lián)合會方面的數(shù)據(jù)，目前這一關鍵指標仍不足10%。而《工業(yè)能效提升計劃2022》則要求，2025年新增高效電機的占比要達到70%以上。
如果高效電機能夠普及，將對實現(xiàn)“碳中和”目標有重要意義。根據(jù)中國國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年中國火力發(fā)電占發(fā)電總量的71.13%。全球方面，2021年全球化石能源發(fā)電占總發(fā)電量的62%。從這一維度看，電機間接導致了全球二氧化碳含量的上升，提升電機能效將會顯著減少能源需求，降低全球二氧化碳的排放量。
想要提升電機的能效水平，首先可以從電機適配角度去考慮。比如永磁同步電機就比較適用于負載變化比較頻繁、且空載情況較多的應用場景，比如車床、機床和拉絲設備等，能夠起到很好的節(jié)能效果。
也可以從電機設計角度入手，通過改良相關設計來降低損耗并提升散熱效果。一般電機的損耗主要包含以下幾種——鐵心損耗、定子/轉子銅損、風磨損耗以及雜散損耗，每一個環(huán)節(jié)都有持續(xù)改良的空間。比如使用銅繞組的電機可以通過增大銅線的線徑，大幅減少銅線的繞組，進而降低損耗，并減少散熱。
為了能夠降低電機的能耗，廠商也會專門打造節(jié)能技術，變頻調速就是一項典型的節(jié)能技術。傳統(tǒng)電機在工作的過程中，當負載大幅減小或者空載時，輸入功率并沒有改變，只是輸出功率發(fā)生了變化，這樣就浪費了大量的電能。通過采用變頻技術，電機的能效能夠得到大幅提升。相關電機廠商的數(shù)據(jù)顯示，變頻技術一般能節(jié)電10%-50%。
另外，更智能、精準的電機控制系統(tǒng)也可以幫助提升電機能效。電機控制講究“一升一降”，其中“一升”是指提升電機FOC（field-oriented control，磁場導向控制）控制算法效率，“一降”則是要降低功率器件損耗和電機損耗。目前，在電機FOC控制算法里，已經(jīng)廣泛出現(xiàn)深度學習和人工智能算法相結合，這些算法能夠持續(xù)優(yōu)化電機的效率，提升控制位置的精準度，減少不必要的電流損耗。
最后，就要談到我們今天的“主角”——電機驅動。觀察各大原廠的解決方案后不難發(fā)現(xiàn)，目前“電機控制和驅動”是一個融合概念，這其實很好理解，因為電機控制是“決策系統(tǒng)”，和控制算法強相關，而電機驅動是“執(zhí)行系統(tǒng)”，后者接收到前者的控制信號，然后將電機轉動到特定的角度，送到特定的位置。電機驅動有專門的驅動器以及配套的驅動電路，要想從這一點上提升電機能效，就要從以下幾個方面入手。
針對電機驅動器，導通和開關損耗小的驅動器能夠幫助設計者顯著降低系統(tǒng)損耗，同時電機驅動的變頻化也是大趨勢。比如在交流電機的驅動上，通過使用變頻驅動器取代單速控制，也能夠實現(xiàn)電機的電子速度控制和更高的驅動能效。在配套電路上，專門優(yōu)化的電路結構往往能夠起到很好的節(jié)能效果。比如電機驅動電路對于橋電路的使用，我們進一步以汽車電機驅動為例，這里驅動系統(tǒng)實際上就是逆變器，在逆變器電路中往往會使用多個半橋電路，以此來提升系統(tǒng)效率。還有一個重要的方向是提升電機輸入電壓值，這樣便能夠大大減小恒功率時段電機的損耗，不過這種趨勢也對電機驅動保護電路提出了更高的要求，需要更高性能的保護元器件。
通過上述方法，便能夠大幅降低電機的能耗，對實現(xiàn)“碳中和”目標有巨大的賦能價值。接下來，我們就來看一下，貿澤電子網(wǎng)站上在售的元器件，如何在一些具體的環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要價值。
Littelfuse柵極驅動器
在電機驅動的過程中，驅動信號來自微控制器或者微處理器，但是這個信號并不能夠直接啟動電機驅動系統(tǒng)，需要經(jīng)過柵極驅動器將電壓或者電流放大。因此，柵極驅動器是電機驅動系統(tǒng)里的基礎器件，也是不可或缺的器件。
我們今天推薦的第一款器件便是來自制造商Littelfuse的柵極驅動器，貿澤電子網(wǎng)站上的制造商編號為LF2136BTR。
LF2136BTR
LF2136BTR是一款三相柵極驅動器IC，專為高壓、高速應用而設計，可用于驅動半橋配置。該器件基于高壓工藝打造，高壓側能夠在自舉操作中切換到600V的高壓。同時，LF2136BTR具有很好的驅動特性、兼容特性和保護特性。該器件具有高脈沖電流緩沖器，旨在實現(xiàn)最小的驅動器交叉?zhèn)鲗?；能夠和CMOS電平（低至3.3V）兼容，可輕松與控制設備連接，并在高噪聲環(huán)境中啟用低電平以更好地工作；提供多種保護功能，包括直通保護、欠壓鎖定、過流保護等。
圖1：LF2136BTR典型應用框圖
（圖源：Littelfuse）
LF2136BTR是Littelfuse柵極驅動器系列中的一款，除了LF2136BTR這種三相柵極驅動器IC，還包括高壓高速柵極驅動器，均具有高壓屬性，以及優(yōu)質的驅動特性、兼容特性和保護特性，并且都能夠在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內工作，可用于打造半橋柵極驅動器、三相半橋柵極驅動器和高側/低側柵極驅動器。其中，半橋柵極驅動器和高側/低側柵極驅動器可經(jīng)過進一步設計用于DC-DC轉換器、交流-直流逆變器電機控制、電機驅動器、D類功率放大器等應用；三相半橋柵極驅動器則可以用于三相電機變頻器驅動器、白色家電-空調、洗衣機、冰箱、工業(yè)電機逆變器-電動工具、機器人，以及通用三相變頻器等。
在助力“碳中和”實現(xiàn)方面，LF2136BTR的高壓特性以及最小的驅動器交叉?zhèn)鲗Ф寄軌虬l(fā)揮重要價值。
雙路H橋電機驅動器
在經(jīng)典電機驅動電路中，其中有一種電路的造型長得像字母H，如下圖所示，因此也被稱為“H橋驅動”。綜合來看，H橋電機驅動電路具有高效、方向控制和制動等突出優(yōu)點。
圖2：H橋電機驅動電路
（圖源：硬件攻城獅博文）
今天要介紹的第二款器件便是一款雙路H橋電機驅動器，來自制造商Texas Instruments，貿澤電子網(wǎng)站上的制造商編號為DRV8428PPWPR，大家可以通過搜索此編號找到這款器件。
DRV8428PPWPR
DRV8428P雙路H橋電機驅動器適用于各種工業(yè)應用的雙路H橋電機驅動器，可用于驅動一個雙極性步進電機、兩個雙向有刷直流電機或四個單向有刷直流電機。根據(jù)PCB設計方案的不同，該器件能夠驅動高達1A滿量程或0.7A RMS輸出電流。
圖3：DRV8428P雙路H橋電機驅動器簡化示意圖
（圖源：Texas Instruments）
DRV8428P雙路H橋電機驅動器是一款集成度非常高的器件，輸出級包括N溝道功率MOSFET（配置為兩個全H橋）、電流檢測/調節(jié)以及保護電路。其中，集成式電流感應功能采用內部電流鏡架構，無需檢流電阻，滿量程電流精度為±6%；保護特性包括VM欠壓鎖定、過流保護和熱關斷，在有刷直流應用中，還能夠實現(xiàn)浪涌電流限制。高集成度以及領先的工藝，讓其具有更小的封裝尺寸，更小的占板面積，降低系統(tǒng)成本。
在應用方面，DRV8428P雙路H橋電機驅動器領先的產(chǎn)品特性可以賦能有刷直流電機、打印機和掃描儀、點鈔機和EPOS、辦公和家居自動化、工廠自動化和機器人、小家電、掃地機器人、類人機器人等領域。
DRV8428P雙路H橋電機驅動器也有很多優(yōu)秀的性能幫助降低系統(tǒng)功耗和損耗，其中高集成特性能夠減少電路板和其他器件消耗，同時該器件具有低功耗休眠模式，可通過關斷大部分內部電路實現(xiàn)超低靜態(tài)電流消耗。
即用型電機控制套件
接下來，我們進一步延伸到系統(tǒng)方案的介紹。開發(fā)人員都有明顯的感受，在方案開發(fā)的過程中，如果有一款出色的開發(fā)套件可以使用的話，那么整個開發(fā)進程將大大提速，縮短產(chǎn)品的上市周期。而我們接下來要介紹的是一款即用型電機控制套件。
這款套件來自制造商Infineon Technologies，貿澤電子網(wǎng)站上的制造商編號為MOTORCONTROLKIT12VTOBO1。
MOTORCONTROLKIT12VTOBO1
為什么說MOTORCONTROLKIT_12V電機控制套件為即用型套件呢，因為套件里除了MOTIX?嵌入式功率IC，還有360°角度傳感器以及集成式霍爾效應開關，面向低壓電機控制應用，可以直接用于快速原型設計和評估。
MOTORCONTROLKIT_12V電機控制套件可以視為TLE9879評估套件，上面的TLE9879QXA40器件是MOTIX?嵌入式功率IC和單芯片三相電機驅動器、片上系統(tǒng)（SoC）解決方案的一部分。這款器件具有非常高的集成度，內部集成LIN收發(fā)器、橋接驅動器和電源等，基于Arm?Cortex?-M3內核打造，可支持實施高級電機控制算法，例如無傳感器磁場定向控制（FOC）。
MOTORCONTROLKIT_12V電機控制套件上的角度傳感器型號為TLE 5012B-E1000，可以實現(xiàn)360°角度測量，具有0.01°的分辨率，在整個使用壽命和溫度范圍內的最大角度誤差為1.0°。集成式霍爾效應開關的具體型號為TLE 4968-1L，專門用于高精度應用。其具有出色的電源電壓能力，采用非穩(wěn)壓電源供電，過壓能力高達42V，無需外部電阻器，并且通過有源誤差補償進一步提高了器件精度。該套件可用于泵、風扇和三相BLDC電機應用等。
如上所述，MOTORCONTROLKIT_12V電機控制套件在各個環(huán)節(jié)都彰顯了自己的高精度特性，能夠大幅減少系統(tǒng)中不必要的電流損耗，進而提升電機能效。
讓電機控制更安全的TVS二極管
為了實現(xiàn)電機的精準控制，降低電機不必要的能耗，電機控制和驅動電路中的元器件變得越來越精細，因而也就需要更全方位的保護。下面為大家?guī)硪豢畛Ｓ玫谋Ｗo性元器件——TVS二極管。
這款TVS二極管依然是來自制造商Littelfuse，貿澤電子網(wǎng)站上的制造商編號為SZ1SMA30CAT3G。
SZ1SMA30CAT3G
SZ1SMA 400W TVS二極管是單向和雙向器件，設計用于保護電壓敏感電子產(chǎn)品免受高電壓、高能量瞬變的影響。該器件具有出色的鉗位能力、高浪涌能力、低齊納阻抗和快速響應時間，峰值功率可達400W（1ms時），正向浪涌電流最高為40A。
圖4：SZ1SMA 400W TVS二極管功能框圖
（圖源：Littelfuse）
SZ1SMA 400W TVS二極管采用Littelfuse獨有、具有成本效益、高度可靠的封裝，通過平面處理表面，幫助用戶實現(xiàn)準確貼裝，可用于頂部滑動或底部電路板安裝的封裝設計。
通過出色的產(chǎn)品性能，SZ1SMA 400W TVS二極管能夠為電機驅動帶來更可靠的安全防護，幫助打造控制更精確、能耗更低的電機方案。
電機驅動的未來趨勢
實現(xiàn)“碳中和”目標是一個長期且艱巨的任務，如以上數(shù)據(jù)所述，電機作為最大的單體耗能設備，未來隨著汽車電動化和工業(yè)自動化等趨勢，電機的需求依然會高速增長，其能耗是一個需要持續(xù)優(yōu)化的重點方向。各國政策對此非常關注，比如在中國，除了上述提到的由中國工信部印發(fā)的《工業(yè)能效提升計劃》，還有國家市場監(jiān)督管理總局和工信部聯(lián)合印發(fā)的《電機能效提升計劃》等等，其中都對提升電機能效做出了關鍵性指示。
比如《電機能效提升計劃（2021-2023年）》要求，以電機系統(tǒng)生產(chǎn)制造、技術創(chuàng)新、推廣應用和產(chǎn)業(yè)服務為重點方向，積極實施節(jié)能改造升級和能量系統(tǒng)優(yōu)化，不斷提升電機系統(tǒng)能效，支撐重點行業(yè)和領域節(jié)能提效，助力實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標。
面向未來，電機將朝著數(shù)字化、輕量化、小型化、高效率、高功率密度等方向繼續(xù)發(fā)展，而電機控制和驅動環(huán)節(jié)在其中扮演著重要角色。因此，除了電機驅動芯片和其他配套芯片的出貨量將大幅增加之外，技術發(fā)展趨勢也較為明確。為了讓整個電機控制和驅動系統(tǒng)外部看起來更加簡潔，減少耗材，相關元器件的集成度將再次提高。電機驅動也將更加智能、靈活，對電機各個驅動輪的控制將會是獨立且精準的；反饋電路將更加完整、多元，使得動力輸出更加合理；為了減少系統(tǒng)發(fā)熱，會不斷追求更高壓的驅動技術；對安全性要求更高，要做到高度可靠。
當然，所有這些趨勢的目標都是為了打造更加高效節(jié)能的電機系統(tǒng)，而貿澤電子網(wǎng)站上銷售的電子元器件將為此提供強力支持，攜手設計者們一起為打造“綠色地球”貢獻力量。
來源：貿澤電子
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