軟硬件結合！這款新品BLDC電機逆變器睡眠模式功耗降低至10mW以下，輸出功率擴展至1馬力的應用！

BLDC電機的使用量正在持續增長。作為主要市場驅動力之一，工業類電機應用節能指令也已提出新要求。

根據相關政策，歐盟計劃到2035年實現2000億美元的能耗節省，要求自2025年開始家電設備待機能耗需要低于300mW，其中洗碗機必須增加30%的效率。

印度市場則因氣候炎熱和人口眾多，需要大量使用吊扇，而目前使用的多為低效的單相感應電機。為了實現50%的能效提升，印度政府正致力于提高能效，計劃將老式風扇更換為BLDC電機驅動的風扇。

BLDC電機的優勢不僅在于能效，還包括靜音效果、精確控制和減少設備宕機時間。例如，在暖通空調應用中，BLDC電機能夠實現氣流的精確控制，提升用戶體驗。同時，通過預測電機壽命，提前更換電機，可以顯著減少設備宕機時間。

BridgeSwitch?-2 IC是PI近期推出的第二代BLDC電機驅動IC產品。相較于第一代，該產品功率輸出大幅提升，能夠滿足1馬力單相或三相電機的應用需求。其次，待機功耗顯著降低，提高了能源利用效率。此外，產品還引入了可預測性系統維護功能，能夠準確判斷電機損耗情況，提醒用戶及時更換，延長了整機設備的使用壽命。

在性價比方面，新產品通過半橋集成和PCB板散熱設計，減少了傳統散熱片的需求，降低了成本。同時，采用IPH內部電流檢測技術，不僅提升了效率，還減少了外圍元件的數量，進一步節省了成本。

提升電機效率與散熱設計優化

在電機控制系統中，效率是至關重要的一環。PI針對功率開關管的特性進行了優化，特別是功率開關管體二極管的反向恢復特性進行了優化，適合電機類感性負載的應用，實現了電機在高效率下運行的同時，也優化了EMI表現。在高功率應用中，即使是微小的效率提升，也能顯著降低功率器件IC的溫升，減輕散熱壓力。

在電機正常運轉期間，這些產品內部集成的高壓FREDFET開關管，可以確保滿足高壓BLDC電機的使用需求，通常這類高壓BLDC電機的母線電壓為320V的直流高壓。逆變器由三個半橋電路構成，由輔助供電電源提供15V驅動電壓和3.3V給MCU供電，以執行FOC無感控制運算。這種設計實現了高達99%的變換效率，對于750W的系統，損耗僅為7.5W，顯著提升了系統性能。

此外，電機控制方案支持各種電機控制算法，包括BLDC電機控制，通過MCU實現精確的電機控制，包括轉速、噪音及波形等參數的優化。這不僅提升了電機的性能，也為終端客戶提供了更靈活的研發空間。

為了簡化散熱設計，PI還推出了新的功率器件封裝技術。對于小功率應用，沿用了緊湊型設計的InSOP-24C封裝，通過回流焊方式實現PCB板上的散熱。對于如500W和750W系列的大功率輸出應用，則推出了適用于高功率電機應用的InSOP-L38封裝，其更大的體積和更低的熱阻，使之能夠處理更高的輸出功率。

BridgeSwitch?-2 IC采用了集成半橋(HB)架構。通過每個半橋單獨的封裝進行散熱，這種布局增加了與PCB板的接觸面積，從而減少了對外加散熱片的依賴。相比傳統的IPM模塊，該方案顯著降低了IC溫度，最高可降低30°C以上，且散熱效果更佳，更適合將逆變器驅動板內置于電機外殼中。

內置電流檢測功能與睡眠模式優化

電機系統由電機驅動器和逆變器構成，其中逆變器采用三個橋接器件，并通過軟件(MCU)實現閉環的開關控制。在電機控制中，電流檢測是不可或缺的環節。PI采用內置電流檢測(IPH)技術，取代了傳統的外部電流檢測電阻，顯著降低了逆變器損耗10%以上，同時改善了溫升表現。

IPH技術不僅提高了電流檢測的準確性，避免了噪聲干擾，還產生了更理想的正弦波電流，從而降低了諧波成分，提高了系統效率，并減少了噪音。與傳統的分流器檢測方式相比，IPH技術不僅節省了成本，還顯著提升了波形質量。

更重要的是，通過精確檢測相電流，可以準確預估電機的壽命。隨著電機使用時間的增加，磨損和摩擦會導致電流波形畸變。通過監測這些變化，可以提前預知電機的磨損程度，并在電機即將失效前進行維護，從而顯著縮短設備停機時間，提高用戶體驗。據測試顯示，使用IPH技術的預測準確度高達92.5%，而傳統方法僅為55%。

與第一代產品相比，第二代產品將驅動電壓調整為15V，以兼容常見的IPM模塊供電電壓。同時，這代產品引入了睡眠模式功能，以進一步降低待機功耗。舉例來說，當設備在30秒或三分鐘內不工作時，MCU會檢測并指令輔助供電電源降低輸出電壓至6V。此時，逆變器通過自供電方式繼續操作，MCU則發出睡眠指令使構成逆變器的功率器件進入睡眠模式。

在睡眠模式下，系統功耗顯著降低至小于10mW，遠低于ERP標準要求的300mW。這一優化不僅滿足了嚴格的功耗要求，還為用戶提供了更好的待機體驗，允許在待機模式下實現更多待機功能。

電機系統軟件開發解決方案

電機系統的開發不僅涉及硬件，軟件同樣至關重要。為簡化開發過程，PI提供了一套完整的軟硬件搭配解決方案，包括逆變器的IC和MotorXpert電機調試軟件。

圖2 總體的逆變器設計解決方案

該軟件具有圖形用戶界面，允許用戶手動輸入參數以觀察電機的旋轉表現，包括效率、噪音和電流波形等。通過接口板與逆變器連接，實現雙向故障傳輸，確保用戶能實時了解系統狀態。軟件通過PWM控制信號調節半橋電路，并利用IPH電流反饋進行檢測，以優化系統性能。

MotorXpert軟件功能強大，支持單相或三相電機的啟動、停止和實時參數調整。用戶無需停機即可改變電機轉速等參數，通過PID調節實現電機不同工作狀態的平穩過渡。軟件還提供可視化信息，包括故障顯示和電機實時參數監控以及數字示波器功能，實時顯示電流波形。

整個軟件設計易于使用，無需編程知識，用戶可直接通過圖形界面設定參數。調試完成后，軟件程序代碼可拷貝至MCU進行批量生產。

需要注意的是，該解決方案只支持功能相對來講比較高級的BLDC應用，而內部集成的高壓FREDFET功率開關管，使其更適合于高壓的BLDC電機應用。對于設備功能比較簡單的僅有電機運轉的低端應用，一些廠商可能選擇將開關與控制軟件集成到一個封裝中，但對于高端產品或大型家電市場，仍需依賴MCU來實現復雜的功能控制，這也是BridgeSwitch的主要應用范疇。

BridgeSwitch?-2和MotorXpert的完美搭配非常適用于高達1馬力功率的電機應用，如冰箱壓縮機、暖通空調、洗碗機、油煙機熱泵、循環泵、吊扇、滾筒洗衣機、研磨機、攪拌機等。目前，PI可接受6月底前的量產訂單。InSOP-28C封裝將于2024年第二季度末入市。

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審核編輯 黃宇