关于低速电动车及其他低压大电流马达驱动的解决方案

英飞凌关于低速电动车及其他低压大电流马达驱动的解决方案低压电机驱动应用概览IndustrialdrivesBatterypoweredconsumerLEVToys电动叉车电动泵工业自动化园艺工具电动工具吸尘器医疗保健设备电动脚踏车电动自行车电动摩托车低速电动车遥控玩具无人飞机Page2February2015Copyright©InfineonTechnologiesAG2015.Allrightsreserved.Segment重点应用电动叉车低速电动车充电式工具电动自行车电动摩托车低速电动车小封装以及性价比低通态阻抗（RD(on)）保证高功率密度高电流能力和高可靠性Page329.08.2013Copyright©InfineonTechnologiesAG2013.Allrightsreserved.电动叉车电动工具园艺工具真空吸尘器低压电机驱动应用分类由于低压变频器市场的高广泛应用性,我们专注于三个主要领域：0W250W500W750W1kW2kW3kW4kW5kW7kW10kW15kW充电式工具电动摩托车电动脚踏车电动叉车低速电动车强调产品的差异化战略电动叉车注重性价比充电式工具新兴应用的增长低速电动车Page4February2015Copyright©InfineonTechnologiesAG2015.Allrightsreserved.充电式工具系统概览充电式工具电动工具园艺工具吸尘器MMDriverStageDriverStageBrushedDCMotorDC/DCRegulatorsSensorSensorSensorControllerBLDCMotor低压MOSFET选型标准:根据系统电压选择电压等级(40V-60V)封装类型(TO-220,SuperSO8)产品散热性能(Rdson*Rth)Page529.08.2013Copyright©InfineonTechnologiesAG2013.Allrightsreserved.空间减少/性价比OptiMOS™30V–60VStrongIRFET™30V–75V低速电动车系统概览(LEV)低速电动车电动脚踏车电动摩托车低速电动车最低Rds(on)的最高功率密度低压MOSFET选型标准:根据系统电压选择电压等级(60V–150V)封装类型(TO-220,D²PAK,D²PAK7pin,TOLL)Page629.08.2013Copyright©InfineonTechnologiesAG2013.Allrightsreserved.MDriverStageBLDCMotorDC/DCRegulatorsCurrentSensorBatteryControllerOptiMOS™80V–150VSegment电动叉车系统概览电动叉车手动搬运车电动叉车低压MOSFET选型标准:根据系统电压选择电压等级(60V-150V)低通态阻抗（RDS(on)）封装类型(D²PAK,D²PAK7pin,TOLL)Page729.08.2013Copyright©InfineonTechnologiesAG2013.Allrightsreserved.DC/DCRegulatorsMDriverStageBLDCMotorSensorControllerOptiMOS™60V–150VStrongIRFET™60V–75V最高电流能力和可靠性典型的低压驱动应用:电池驱动三相系统应用要求效率:减小系统的能量消耗,延长电池运行时间及使用寿命，并优化系统的散热管理可靠性:可以在严苛的环境下可靠工作维护:低维护成本和使用长寿命的器件尺寸&成本:降低系统成本和产品尺寸开发周期:缩短开发时间和开发成本英飞凌产品的好处产品组合:提供丰富完整的产品组合，可扩展性强可靠性:由于英飞凌产品的高可靠性和高品质，可延长系统的寿命尺寸&成本:业内最低导通电阻的产品，提高系统的功率密度，进而降低系统成本开发周期:英飞凌有完整的生态系统，可为客户提供器件仿真模型，技术文档以及参考设计方案，因此可缩短开发时间和成本Page8February2015Copyright©InfineonTechnologiesAG2015.Allrightsreserved.无刷直流电机控制框图ControlDCLinkVoltage+-SymbolsometimesusedtoclarifytwocoilsCopyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page92对极3绕组无刷直流电机PWM控制逻辑Example1:MOSFETPWM六种开关组合→360°机械角度Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page10MOSFET损耗分析:T1，T6导通ControlDCLinkVoltage+-T1ONT6ONT1&T6MOSFETConductionLossDRIPondsdcond)(2Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page11MOSFET损耗分析:T1导通，T6关断ControlDCLinkVoltage+-T6OFFCommutatingtoBodyDiodeT6MOSFETSwitchingLossswdsdSftVIP321T3MOSFETConductionlossonbodydiodeswdeadsddiodediodeftIVPCopyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page12Page13Copyright©InfineonTechnologies2008.Allrightsreserved.Vgs越高，Qg越大Vgs越大，Rds(on)越小,根据实际情况平衡Rds(on)和Qg的关系FigureofMerit(FOM):(RDS(on)xQg)MOUTTHMGSGIVV.swfgVgQgatevP_驱动损耗计算公式如下:MOSFET损耗分析:门极驱动损耗2014-06-14电源网第25届电源电子技术创新研讨会控制单元直流母线电压+-电流在上管的体内二极管和下管MOSFET沟道之间换流T6ONPWM调制:3)上管导通，下管重新开通Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page14体内二极管反向恢复特性分析低压电机驱动应用中，当下管开通，电流在上管的体内二极管和下管沟道之间进行硬换流，由于体内二极管的反向恢复特性，在下管D，S两端会产生很高的电压尖峰12341外部给定一个电流Iinit流过MOSFET的体内二极管外加反压UT在MOSFET两端，迫使二极管关断，电流开始减小2由于体内二极管内部存在的反向恢复电荷Qrr，电流下降到零之后，电流继续往反方向增加，此时VDS维持在一个很小的电压值3当反向恢复电荷Qrr抽取完成之后，电流开始给输出电容CDS充电，VDS开始急剧上升，从而产生电压尖峰4Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page15英飞凌最新OptiMOSTM---优化体二极管寄生类肖特基体二极管OptiMOSTM减小反向恢复电荷(Qrr)，进而减小导通损耗和反向恢复损耗.NewOptiMOS™FastDiode(FD)优化了体二极管在硬换流时的反向恢复特性，比如更高的dv/dt和dI/dt，同时，与OptiMOS™3相比，Qrr降低了40%.在实际应用中，可以有效降低Vds电压尖峰，从而提高系统运行的可靠性，简化设计难度D²PAKTO-220200VIPB117N20NFD(11.7mΩ)IPP120N20NFD(12mΩ)250VIPP220N25NFD(22mΩ)Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page16理想波形/实际波形-VDSVDSVDC-LinkVDC-LinkVDSVDC-LinkVDS理想波形实际波形(l小电流)ControlVDS实际波形(大电流)VDC-Link寄生电感/电容引起巨大的电压尖峰Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page17寄生参数引起的电压尖峰控制单元+-ParasiticinductorsParasiticinductorsParasiticinductorsParasiticinductorsParasiticinductors受寄生电感的影响,大的di/dt引起大的电压尖峰:U=L*di/dt由封装及Layout引起的寄生电感直流母线电压Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page18MOSFET开通过程分析(考虑寄生电感的影响)VmeasVGS,intVL,SourceVGS,thVMillert3=米勒平台结束,MOSFET完全开通t2=电流上升到稳态值,米勒平台开始t1=门极驱动电压达到门槛值，电流开始上升t0=门极驱动电压开始上升VL=L*diL/dtRG,intCGDCDSCGSLS,intRG,extCopyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page19Page20Copyright©InfineonTechnologies2008.Allrightsreserved.ForinternaluseonlyVmeasVGS,intVL,SourceVGS,thVMillert3=VGS,int进一步下降到门槛电压,同时电流下降到零t2=电流开始下降t1=VGS,int下降到米勒平台t0=门极驱动电压开始下降VL=L*diL/dtRG,intCGDCDSCGSLS,intRG,extMOSFET关断过程分析(考虑寄生电感的影响)Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page20Page21Copyright©InfineonTechnologies2008.Allrightsreserved.ForinternaluseonlyVmeasVGS,intVL,Sourcet3=dI/dt转为负值,电流开始下降t2=Vds尖峰电压达到最大值t1=反向电流Irr,max达到最大;dI/dt转为正值,电流开始上升t0=电流开始下降(外部控制)VL=L*diL/dtRG,intCGDCDSCGSLS,intRG,extIrev.rec.Id=0MOSFET关断过程分析(考虑寄生电感的影响)------Ids震荡Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page21通过封装技术减小MOSFET开关的电压尖峰更低的封装电阻可以获得更优的性价比更小的占板面积获得更高的功率密度更小的封装电感开关性能更优，控制更简单封装电感:减小Vgs以及Vds的震荡SuperSO8的电压尖峰比TO-220低Copyright©InfineonTechnologies2014.Allrightsreserved.Page22实际应用中RDS(on),max比Id更具参考价值Rth(heatsink)=10°C/WRth(heatsink)=5°C/WParametersfromdatasheetIPP023N04NGCompetitorPackageTO220TO220RDS(on),maxmΩ2.32.5ID,max@TC=100°CA90120Tjc,m