现代电机驱动器为电动工具设计提供了一个公共平台

2022年4月15日

现代电机驱动器为电动工具设计提供了一个公共平台

2022年4月15日

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作者:Charles Keefer,高级现场应用工程师

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花园里的现代无线电池电动割草机

在当今多样化的电动工具市场中,电池电压和扭矩要求的范围广泛,通常导致设计使用不同的平台,支持有限的产品范围。如果使用单一的全行业平台来为计划中的产品提供服务,则可以大大节省研发时间和成本。

一些电动工具产品线跨越12v到24v的范围,而其他的跨越12v到60v的范围。如果你包括草坪工具,范围可以扩大到80伏。随着这些更高的电池工作电压,更恶劣的环境会在驱动器输出级上引入更大的负瞬态,因此需要多个印刷电路板(PCB)设计,这些PCB设计来自低功率和大功率电机驱动芯片。一个通用的无刷直流(BLDC)或半桥驱动芯片,跨越市场上所有电动工具设计范围,将减少开发和生产新电动工具所需的时间和精力,巩固软件开发时间和PCB设计/测试周期。

能够服务于市场上所有电动工具的单一平台设计必须考虑到这些设备的所有最大电压范围。许多电机驱动装置的最大供电电压只有40伏。在大多数24v或36v系统中,这并没有留下足够的余量来提供健壮的设计,以承受电机运行期间电动工具电压电源可能产生的剧烈电压瞬变。一个独立的栅极驱动器具有更宽的电源电压范围,可以承受这些瞬态,例如下面讨论的50 V和更高的栅极驱动器,将允许系统设计人员在大跨度的电动工具电池上实现通用设计的时间和资源节省。

对于功率更高的48v、60v或80v系统,集成三相bldc的解决方案较少。当电源分布在紧凑的高压半桥板周围时,必要的电动工具设计可能更容易实现。超小型3mm × 3mm DFN封装中的100v半桥将有助于实现这一目标。广泛的供电电压范围可用于小型12v钻头电机或功率更大的80v管柱修剪器,具有单一PCB架构,为了节省低功耗工具的成本,各种mosfet可以根据所需的功率电平进行插拔。

高端电动工具通常支持延长操作时间或频繁、快速、大功率爆发的操作。它们还可能具有超过1200 in-lb或130 N∙m的峰值扭矩,通常以2000 rpm计算。另一方面,电池驱动的割草机需要更少的扭矩,但仍然需要长时间的高速运行。这就要求一个公共平台的栅极驱动器需要能够同时驱动12v, 30kw的峰值功率钻机和80v, 4.5 kW的割草机。当两种工具的通用扭矩额定值转换为功率时,驱动器需要适应的跨度为:

功率[kW] =(转矩[N∙m] ×转速[rpm])/9550

大功率钻峰实例:

功率= (130 N∙m × 2100 rpm)/9550 = 27.6 kW

低功率长时间割草机示例:

功率= (12 N∙m × 3500 rpm)/9550 = 4.4 kW

上述功率水平决定了在任何给定系统中使用什么驱动器和MOSFET。

大多数驱动器的栅极驱动电压在7v到13v之间。对于这些器件中常用的一些mosfet,在标称10v时,总栅极电荷变化显著。一个低调的40v DFN MOSFET可能有65nc的总门电荷,而一个100v MOSFET可能只有35nc的总门电荷。为了确保对工具系列全功率谱的支持,必须考虑驱动器可以提供给MOSFET栅极的平均VREG电流,以保持MOSFET处于开状态。

还必须考虑最大源电流和汇聚电流,以确保MOSFET快速通过米勒区;然而,脉冲宽度调制(PWM)驱动频率和MOSFET尺寸的限制因素将是驱动器可以提供栅极驱动器的平均电流。在给定的PWM频率下,确定将mosfet保持在开状态所需的平均VREG驱动电流的公式为:

avg[mA] =被驱动的mosfet数量× fPWM [kHz] × QG(tot) [nC] × 1000

例如:

(100 v_fet AVG)= 6 × 20khz × 35nc × 1000 = 4.2 mA

(40 v_fet AVG)= 6 × 20khz × 65nc × 1000 = 8 mA

(80 v_fet AVG)= 6 × 20 kHz × 140 nC × 1000 = 17 mA

被驱动的mosfet的数量随着驱动方案的改变而改变——6个用于正弦驱动,2个用于梯形驱动,4个用于两相正弦驱动。在示例中,使用20 kHz来保持驱动器频率超出可听范围。

图1:在不同PWM频率下,6个35 nC mosfet维持开状态所需的常用驱动器IREG能力图和电流计算。

图1:在不同PWM频率下,6个35 nC mosfet维持开状态所需的常用驱动器IREG能力图和电流计算。

更多的MOSFET选项存在,总门电荷的值是无限的。关键是,在任何系统中,设计人员必须在选择驱动器之前解决影响平均VREG驱动器电流的组件之间的相互作用。使用一个在10 V下具有65 nC总门电荷的MOSFET,一个在20 kHz下驱动的IREG平均电流为15 mA的驱动器将为强大的门驱动器提供足够的空间。对于低功耗工具使用相同的设计,MOSFET可以与具有较高总栅电荷的低id额定值器件交换。

图2:有能力的电机驱动器允许灵活的PCB设计。

图2:有能力的电机驱动器允许灵活的PCB设计。

12v到80v范围内的系统需要具有更高供电额定的驱动器,以支持大功率18v钻头和80v割草机。虽然合适的集成三相无刷直流驱动器的选择有限,但一组功能强大的100v半桥可能满足需求。阿莱格罗A89500[1]是一个100伏额定的半桥,可以驱动一个30千瓦或4千瓦的系统。峰值汇聚电流和源电流足够高,可以快速将mosfet切换到开状态,并且可以很容易地使用外部电阻进行设置,以实现高度灵活和健壮的电磁兼容(EMC)设计。然后,单独的门驱动电源支持在高电流100%占空比情况下保持mosfet在开状态所需的所有电流。

图3:12v到80v范围的系统需要具有更高额定电源的驱动器,以支持大功率18v钻头和80v割草机。

图3:12v到80v范围的系统需要具有更高额定电源的驱动器,以支持大功率18v钻头和80v割草机。

电动工具系统设计的下一个考虑因素是驱动器的稳健性。在高扭矩电机产生大瞬态的恶劣环境下,它将如何表现?

当驱动器切换控制峰值额定功率为30kw的电机的mosfet时,必然会出现较大的正和负瞬态脉冲。系统设计人员可以在MOSFET桥接电源上放置大量电容,也可以选择具有一流瞬态保护并节省PCB空间和BOM成本的驱动器。Allegro的电动工具门驱动器组合,如50 v额定A4919[2]100v额定值a89500提供一流的负瞬态保护,直接内置在电路中。A89500的高侧栅极驱动器输出可以承受- 18v至100v的短时间暂态相位连接电压。A4919和A4915[3](适用于40v以下工具的尺寸相似的器件)是电动工具的热门选择,在相位连接上提供了一流的负瞬态鲁棒性。尽管该市场的其他一些选择在相位连接时可以稳定到- 8v,但许多供应商只能支持地下~ 2v。这些不太可靠的解决方案将需要单独的PCB设计,用于苛刻的大功率工具或重要的保护电路,否则在低功耗电动工具市场上就不需要了。

图4:Allegro和其他供应商门驱动器的相位连接瞬态鲁棒性和最大电源电压额定值。

图4:Allegro和其他供应商门驱动器的相位连接瞬态鲁棒性和最大电源电压额定值。

为了确定支持一系列工具的设计的最佳驱动程序,系统集成商必须考虑几个问题。所有工具的电池电压范围是多少?需要多大尺寸的mosfet ?是否有额外的保护电路的空间,或者它可以带入门驱动器?

无论是何种系统,目前都有设备可以实现电动工具设计的公共平台。A4919是一款小型直接驱动门驱动器,具有强大的门驱动电路,能够支持大多数低于40v的系统。A4915是一个类似大小的设备,适用于40伏以下的工具,并具有集成霍尔效应传感器供应和反馈以及电机驱动控制逻辑。A4915内置的控制逻辑通过一个简单的接口节省了空间,可以卸载电机控制算法。对于跨度从12 V到80 V的工具组合,小型且功能强大的A89500半桥是最佳选择,轻松驱动具有高总门电荷的高功率mosfet或小型,多包低功率mosfet。所有这些设备都允许系统设计人员将电动工具系列压缩到单个PCB上,从而节省测试时间,减轻软件资源,并实现更快的开发。yaboAPP亚博

基于文章"“现代汽车司机为电动工具设计提供了一个公共平台”,由查尔斯·基弗(Charles Keefer)撰写,最初发表于关于电路2022年3月31日。转载已获授权。对于原始出版商不受版权保护的部分,版权©2022,Allegro MicroSystems, Inc.。亚博棋牌游戏