當(dāng)今常見(jiàn)的交流伺服系統(tǒng)，通常由伺服變頻器和永磁同步電機(jī)構(gòu)成，兩者用線纜連接在一起。而在一個(gè)多電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景中（譬如多關(guān)節(jié)6/7軸工業(yè)機(jī)器人），常常面臨著功率線纜過(guò)多的難題：成本高，易疲勞老化，轉(zhuǎn)彎半徑大…

內(nèi)部集成變頻器的一體式伺服電機(jī)

將完美解決諸如此類的問(wèn)題

邁信電氣與英飛凌合作開(kāi)發(fā)

基于SiC-MOSFET自然散熱設(shè)計(jì)的一體化伺服電機(jī)系統(tǒng)

較少的對(duì)外接口極大簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的外圍配件，只需2條直流線纜即可取代傳統(tǒng)21條(3相*7電機(jī)）交流驅(qū)動(dòng)線纜，節(jié)約成本/體積并利于現(xiàn)場(chǎng)快速靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

一體式伺服電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理示意圖

主要分為以下幾個(gè)部分

A. 電機(jī)

與傳統(tǒng)永磁電機(jī)相同。B. 碼盤(pán)采用新一代磁編芯片TL5109，體積小精度高。C. 控制板采用XMC4800作為主控制芯片，內(nèi)部集成EtherCAT等功能。D. 驅(qū)動(dòng)板采用集成米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片（1EDI20I12MH), 可使用單電源供電來(lái)驅(qū)動(dòng)SiC-MOSFET，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。E. 功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiC? MOSFET，采用鋁基板傳熱至外殼。F. 后殼

因整體耗散功率較小，增加少量的鰭片即可滿足自然對(duì)流散熱要求。

注：上述產(chǎn)品“基于SiC-MOSFET自然散熱設(shè)計(jì)的一體化伺服電機(jī)系統(tǒng)”的控制板、驅(qū)動(dòng)板、功率板為邁信電氣自主研發(fā)設(shè)計(jì)。

CoolSiC? MOSFET的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1、較低的導(dǎo)通損耗

SiC MOSFET的通態(tài)壓降由其溝道的RDS(on)決定，而IGBT的通態(tài)壓降由PN結(jié)和漂移區(qū)電阻構(gòu)成。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)類應(yīng)用中，通常負(fù)載電流區(qū)間小于器件的標(biāo)稱電流值，因此SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗優(yōu)于同等規(guī)格的IGBT器件。

2、較低的開(kāi)關(guān)損耗

SiC MOSFET開(kāi)通關(guān)斷速度均快于IGBT，且沒(méi)有拖尾電流。常溫下，SiC MOSFET的開(kāi)通損耗約是同等規(guī)格IGBT的50%，關(guān)斷損耗約是20%。值得注意的是，高溫下SiC MOSFET開(kāi)關(guān)損耗受結(jié)溫的影響不大，而IGBT的開(kāi)關(guān)損耗可能增加一倍以上。

3、優(yōu)異的開(kāi)關(guān)速度可控性

CoolSiC? MOSFET測(cè)試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的可控性，僅通過(guò)Rg阻值大小即可調(diào)節(jié)其開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)而優(yōu)化Eon，Eoff，dv/dt等指標(biāo)。

系統(tǒng)損耗和溫升仿真

基于伺服應(yīng)用的實(shí)際工況，通過(guò)仿真軟件模擬了周期性過(guò)載3倍額定電流輸出下的損耗及溫升，條件如下：

Vdc=800V，Uout=400V, Iout=20Arms，cosφ=0.8, fout=50Hz， fsw=20kHz，Th=110℃,20% duty per second.
結(jié)果顯示，每個(gè)SiC-MOSFET平均功耗約4.4W，每周期結(jié)溫溫升約35K，離Tvjmax=175℃仍有較大裕量。

散熱鰭片設(shè)計(jì)及熱仿真

根據(jù)損耗仿真的結(jié)果，可以按照30W的耗散功率通過(guò)下面公式來(lái)計(jì)算自然散熱需要的鰭片個(gè)數(shù)（面積）： 

S=Pavg/(h×?T)

S：散熱面積；Pavg：平均功耗

h：換熱系數(shù)；?T：平均溫差

根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果，來(lái)設(shè)計(jì)后蓋的具體尺寸。最后將3D模型輸入到熱仿真軟件中，結(jié)果如下：

? 在環(huán)溫40℃下，外殼表面溫度約70~80℃；

? 鋁基板表面最高溫度約113℃，此溫度近似等同于Th溫度。

因此，自然對(duì)流散熱可滿足SiC MOSFET器件的散熱需求，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)也有助于提高系統(tǒng)可靠性。

原理樣機(jī)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)電機(jī)施加模擬慣量負(fù)載，完成了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)極限加減速試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過(guò)控制器分別給予時(shí)間寬度為150ms和50ms加減速信號(hào)，電機(jī)長(zhǎng)期工作在正反轉(zhuǎn)往復(fù)狀態(tài)（+1500rpm~-1500rpm），其峰值電流分別達(dá)到了11A和28A，最大輸出能力得到了驗(yàn)證。

說(shuō) 明 

? 本項(xiàng)目由英飛凌、晶川和邁信共同合作開(kāi)發(fā)，感謝各方的努力付出。 

? 開(kāi)發(fā)過(guò)程中的部分設(shè)計(jì)文檔和測(cè)試報(bào)告，后期可以分享給英飛凌的客戶使用。 

? 基于功率板和驅(qū)動(dòng)板的評(píng)估套件正在準(zhǔn)備中，后期可在英飛凌官網(wǎng)鏈接申請(qǐng)購(gòu)買。

更多信息敬請(qǐng)關(guān)注：1. Infineon PCIM virtual booth 2020（2020.6.30~7.3）?7月3日13:30-14:00的演講題目：CoolSiC? MOSFET in SMD package for servo drives-A new level of simplicity and safety in high-voltage auxiliary circuitry.2. PCIM Asia（已推遲到2020年11月）即將發(fā)表的文章<An integrated servo motor drive with self-cooling design using SiC -MOSFETs>