如何改进工业电机控制以提高能效?

优化工业电机控制系统的设计将能直接提升能效，进而大大降低全球电力消耗总量。事实上，据国际能源署 (IEA) 估计，电机驱动系统的耗电量占全球电力消耗的 40% 以上。

国际能源署的另一项估计表明，若电机驱动系统的能效提高 10-15%，全球总用电量可减少 5%。由此可见，工业领域在降低能耗方面有着巨大的潜力。

工业电机的重要性

为了提高能效和可重复性，工业生产越来越广泛地采用自动化技术，电机几乎遍及每个领域，额定功率从几瓦到几十千瓦不等。

工业领域所使用的电机往往尺寸较大、功率很高，消耗的电力也非常多。电机常应用在泵、风扇和工业驱动器等设备，此外也有很多其他使用场景。

机器人应用也完全依赖电机来移动机器人的“手臂”，以及驱动自动导引车 (AGV)、送货机器人等移动机器人的轮子。在物料搬运中，室内外的起重机和传送带都会用到电机。

电机驱动的绞车不仅用于工业领域，也用于海洋、农业和汽车领域。在楼宇自动化中，电机用途也很广，能够驱动电梯和自动走道，控制打开和关闭门窗。

以上用例只是冰山一角，我们还正努力减少污染，许多目前使用小型内燃机的应用很快也将由电机驱动。

功率模块在高效设计中的作用

单速电机连接到电源（通常是交流电源）就能运行，但变速电机需要某种形式的电子速度控制系统才能运行。这类系统一般包括转换器、制动器和三相逆变器，其中会利用硅 MOSFET、SiC MOSFET、IGBT 或 GaN HEMT 等器件来设计开关。

正常运行期间，逆变器为电机供电，使电机加速；而在减速时（尤其是在高惯性负载下），制动部分和外部电阻会耗散再生能量。

设计电机控制电路时，设计人员需要实现能效、可靠性、稳健性、紧凑尺寸和散热性能等目标。在大多数情况下，需要仔细权衡才得出差强人意的方案。

虽然仅使用分立器件也能完成设计，但带有电机控制器电路的预配置模块化方案有很多优势。

智能功率模块 (IPM) 是将功率因数校正器件集成到紧凑封装中的一体化技术。安森美 (onsemi) IPM 包含所有必需的无源器件、栅极驱动器、功率开关和功率二极管。这些器件可以灵活排列，针对不同的应用实现不同的拓扑。

IPM 包含栅极驱动器，而功率集成模块 (PIM) 则不包含。在高功率应用中，栅极驱动器可能会引入噪声，将其单独安装在主 PCB 上可以有效避免这个问题。

为了提升高频电机应用的能效，设计人员常常采用碳化硅 (SiC) 技术。SiC 的电子迁移率更高、本征载流子浓度更低且热导率更高。SiC MOSFET 的电流密度更高且开关损耗更低，支持高温操作，并能够在更高频率下运行，进而有助于提高电机运行能效、降低散热需求，缩小无源器件的尺寸，让整个方案更加紧凑。

安森美方案

考虑到不同应用的性能和成本目标各不相同，安森美提供基于 IGBT 和 SiC 技术的广泛 IPM 和 PIM 产品组合。如果需要更高的能效、更小的尺寸和/或更高的频率，那么 SiC 是更优选。如果更注重控制简单性和/或成本有限，那么 IGBT 将是理想方案。新型 1200 V 场截止 7 (FS7) IGBT 兼具性能稳健、功率密度高和导通损耗低等特性。例如，FGY100T120RWD 采用 TO-247 分立封装，可传导 100 A 电流，Vce(sat) 低至 1.4 V，饱和电压比市场上同类产品更低。

安森美的 IPM 适用于几瓦到 15 千瓦的应用，而 PIM 系列适用于几百瓦到 50 千瓦以上的设计。

SiC 作为一种新兴技术，其单个器件的成本可能略高于硅器件，但从整个系统的角度来看，前者在无源器件、散热性能等方面的优势能够显著抵消所增加的成本。此外，安森美还提供丰富全面的 SiC 辅助电路器件选择，可帮助客户快速完成设计。

总结

电机所消耗的能源比任何其他单一应用都要多，其耗电量约占世界总量的 40%。因此，提升电机能效必将能为减少全球用电量做出巨大贡献。

SiC 模块不仅能为现代设计带来高性能、稳健性和小尺寸等优势，还有助于降低系统总成本。

安森美占据 SiC 技术领域的市场主导地位，拥有种类齐全的模块和相关器件。您可以通过我们的白皮书，进一步了解如何改进工业电机控制以提高能效。欢迎查看我们的新型工业电机驱动系统方案指南。