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迈信电气与英飞凌合作开发基于SiC-MOSFET的一体化伺服电机系统

2020-07-11 02:36

当今常见的交流伺服系统,通常由伺服变频器和永磁同步电机构成,两者用线缆连接在一起。而在一个多电机的应用场景中(譬如多关节6/7轴工业机器人),常常面临着功率线缆过多的难题:成本高,易疲劳老化,转弯半径大…

内部集成变频器的一体式伺服电机 将完美解决诸如此类的问题

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 迈信电气与英飞凌合作开发 基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统

较少的对外接口极大简化了应用系统的外围配件,只需2条直流线缆即可取代传统21条(3相*7电机)交流驱动线缆,节约成本/体积并利于现场快速灵活的应用设计。

一、一体式伺服电机内部结构及原理示意图

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A. 电机 与传统永磁电机相同。

B. 码盘 采用新一代磁编芯片TL5109,体积小精度高。

C. 控制板 采用XMC4800作为主控制芯片,内部集成EtherCAT等功能。

D. 驱动板 采用集成米勒钳位功能的驱动芯片(1EDI20I12MH), 可使用单电源供电来驱动SiC-MOSFET,简化电路设计。

E. 功率板 选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET,采用铝基板传热至外壳。

F. 后壳 因整体耗散功率较小,增加少量的鳍片即可满足自然对流散热要求。

注:上述产品“基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统”的控制板、驱动板、功率板为迈信电气自主研发设计。

二、CoolSiC™ MOSFET的应用优势

1、较低的导通损耗 SiC MOSFET的通态压降由其沟道的RDS(on)决定,而IGBT的通态压降由PN结和漂移区电阻构成。在电机驱动类应用中,通常负载电流区间小于器件的标称电流值,因此SiC MOSFET的导通损耗优于同等规格的IGBT器件。

2、较低的开关损耗 SiC MOSFET开通关断速度均快于IGBT,且没有拖尾电流。常温下,SiC MOSFET的开通损耗约是同等规格IGBT的50%,关断损耗约是20%。值得注意的是,高温下SiC MOSFET开关损耗受结温的影响不大,而IGBT的开关损耗可能增加一倍以上。

3、优异的开关速度可控性 CoolSiC™ MOSFET测试中表现出了优异的可控性,仅通过Rg阻值大小即可调节其开关速度,进而优化Eon,Eoff,dv/dt等指标。

三、系统损耗和温升仿真

基于伺服应用的实际工况,通过仿真软件模拟了周期性过载3倍额定电流输出下的损耗及温升,条件如下:

Vdc=800V,Uout=400V, Iout=20Arms,cosφ=0.8, fout=50Hz, fsw=20kHz,Th=110℃, 20% duty per second.

结果显示,每个SiC-MOSFET平均功耗约4.4W,每周期结温温升约35K,离Tvjmax=175℃仍有较大裕量。

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四、散热鳍片设计及热仿真

根据损耗仿真的结果,可以按照30W的耗散功率通过下面公式来计算自然散热需要的鳍片个数(面积):

S=Pavg/(h×∆T) S:散热面积;Pavg:平均功耗 h:换热系数;∆T:平均温差

根据计算出的结果,来设计后盖的具体尺寸。最后将3D模型输入到热仿真软件中,结果如下:

• 在环温40℃下,外壳表面温度约70~80℃; • 铝基板表面最高温度约113℃,此温度近似等同于Th温度。

因此,自然对流散热可满足SiC MOSFET器件的散热需求,无风扇设计也有助于提高系统可靠性。

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五、原理样机设计

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六、试验结果

在实验室中,对电机施加模拟惯量负载,完成了电机的正反转极限加减速试验。试验中通过控制器分别给予时间宽度为150ms和50ms加减速信号,电机长期工作在正反转往复状态(+1500rpm~-1500rpm),其峰值电流分别达到了11A和28A,最大输出能力得到了验证。

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七、说明

• 本项目由英飞凌、晶川和迈信共同合作开发,感谢各方的努力付出。 • 开发过程中的部分设计文档和测试报告,后期可以分享给英飞凌的客户使用。 • 基于功率板和驱动板的评估套件正在准备中,后期可在英飞凌官网链接申请购买。

更多信息敬请关注:

1. Infineon PCIM virtual booth 2020(2020.6.30~7.3)›7月3日13:30-14:00的演讲题目:CoolSiC™ MOSFET in SMD package for servo drives-A new level of simplicity and safety in high-voltage auxiliary circuitry. 2. PCIM Asia(已推迟到2020年11月)即将发表的文章<An integrated servo motor drive with self-cooling design using SiC -MOSFETs>

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更多内容请访问 武汉迈信电气技术有限公司(http://c.alliii.com/?cid=14073)
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