3361
随着家用电器、工业自动化、汽车系统以及可再生能源领域等应用领域对高效、节能、可靠、低维护成本等方面的需求提升，有刷电机工作中存在的摩擦、损耗、效率低、打火花、EMI差等问题成为行业发展的绊脚石，因此可以一定程度上克服这些问题的无刷直流电机（BLDC）的市场渗透率正在持续增加。
根据上海电机行业协会公布的数据显示，2019年全球BLDC的市场规模约为163.0亿美元，预计到2024年将达224.4亿美元。
BLDC面临三大市场机遇
纵观当前BLDC行业发展，全球范围内来看正面临三大市场机遇。
-
机遇一：工业类电机应用节能指令的新要求
欧盟计划到2035年节省2000亿美元的能耗，想要实现该目标，很大程度上取决于电机的能源消耗改善，因为电机在很多工业类电机系统中的能耗占比达到了50%-60%。
以洗碗机行业为例，欧盟对其要求是必须增加30%的效率，而这30%的效率提升主要贡献将来自于电机转换效率的提升，若依旧采用原来使用最多的、较低端的有刷电机，加上不太有好的控制算法，是完全无法实现的，因此这里面蕴含着更新换代的市场机遇。
此外，欧盟ErP还要求，自2025年开始待机能耗需要< 300mW，老指标是< 500mW，这就会对电机系统待机功耗、MCU睡眠模式，以及无线蓝牙的能耗等因子提出更高的要求，这会同步带来电机更新换代和技术创新的需求。
-
机遇二：印度对于吊扇应用其致力于50%的节能目标
在印度，吊扇是家庭降暑的重要电器，据估算在目前的印度家庭中约有8亿个吊扇在使用，而它们采用的都是效率较低的单相感应电机。为了实现吊扇50%的节能目标，印度政府计划将吊扇中的单相感应电机切换到BLDC的应用，这会直接带来BLDC的巨大市场需求。
-
机遇三：用户期望有更好的产品使用体验
用户对电机产品的使用体验要求正在逐渐提升，包括对家电中静音效果的要求，对暖通空调应用中对气流的精确控制要求，以及对家电设备更少宕机时间的要求等，这些都间接提升了市场对BLDC的需求。
三大BLDC控制方案对比，高压集成半桥电机驱动方案是最优解
当前市场上有三种BLDC的控制方案，包括IPM方案、传统分立式半桥电机驱动方案和集成半桥电机驱动方案。
这三种方案之间有什么区别和联系呢？
根据Power Integrations资深技术培训经理Jason Yan的介绍，IPM方案更适合于一些功率比较小的应用场景，因为IPM将6个功率管合封在一个器件中，集中的热源会带来散热问题，一般都需要加散热片来辅助散热，而由此带来的绝缘、安规和高度问题也会成为系统设计时的挑战。
相比IPM方案，传统的分立式半桥电机驱动方案中驱动IC各自封装，在PCB Layout时可以做到均匀分布，可在一定程度上解决功率器件的散热问题，不过在电机控制精度、相电流检测、设计复杂性、系统成本和效率等方面依旧存在不少问题。
对此，Power Integrations（以下简称PI）推出将2个功率管进行合封的集成半桥(IHB)电机驱动器IC产品系列BridgeSwitch™-2，来解决以上问题。
图 | BridgeSwitch™-2，左侧为C封装，右侧为W封装，来源：PI
据悉，BridgeSwitch-2 IC的功率范围为30W至746W (1HP)，分为较小功率的C封装型号，和较大功率的W封装型号，总体应用非常广泛，包括热交换器风扇、冰箱压缩机、流体循环泵、燃气锅炉燃烧风扇、洗衣机滚筒以及厨房搅拌机和搅拌器。
对此，Jason Yan表示：“基于IGBT的IPM模块方案更适合小功率的应用，而BridgeSwitch™-2适合高达1马力 (746W)的应用场景，且为母线电压高达300-320V左右的优电压源的电机驱动逆变器设计。相较于分立式设计，BridgeSwitch™-2采用的IHB架构省去了电流检测电阻和相关信号调整电路，元件数量减少了50%，PCB空间减少了30%。此外还消除了检测电阻损耗，进一步提高了效率。通过内置的相电流(IPH)信息实时报告功能，可实现精确的电机控制。通过对门极开关驱动信号的精确控制以及使用具有软恢复特性的体二极管FREDFET，其典型的EMI特性表现比现有驱动器低10dB，因此可以选用更小的EMI滤波器。”
此外，BridgeSwitch-2 IC具有内置直流过压保护和电流限制功能，无需依赖系统软件即可保护逆变器和系统。可选择错误标志或全面的故障母线报告功能来满足各种系统要求。现在，凭借高精度的内置IPH信息和通过故障母线提供的全面报告，可以实现故障预测等新兴应用的使用需求。BridgeSwitch-2电机驱动采用内置的基于硬件的下管和上管过流保护，符合IEC 60335-1 A类要求。
值得一提的是，BridgeSwitch-2无需辅助电源即可工作，从而进一步减小PCB面积和减少元件数量。
电机运转不仅依赖于硬件，还需要软件支持
每一个电机运转都离不开软件的支持，只有将MCU中的软件和算法做到与硬件的最佳匹配，才能让BLDC运转更顺畅、更精确，也更持久。
事实上，软件的调优在电机应用领域是非常重要的，细节决定成败，因为每一个采购回来的电机参数都会有所不同，比如转子的惯性不同，旋转公差不同，音频噪声高低不同等，这些都需要进行调试。
图 | PI提供基于GUI的工具“终端仿真器”——MotorXpert，来源：PI
为了降低用户在系统设计上的难度，缩短产品入市时间，PI还提供了基于GUI的工具“终端仿真器”——MotorXpert，以及符合MISRA C标准的代码库，其中包括单相梯形控制和三相无传感器磁场定向控制(FOC)模块，从而可实时优化电机工作架构，无需重复更新固件。
图 | 采用集成半桥 (IHB) 架构将IC温度降低30° C以上，来源：PI
另外，在用户进行PCB Layout时，PI还提供了PI Expert电源设计软件，版图工程师可以通过该软件对器件温升进行估算，从而给PCB板散热面积设计提供建议。
图 | PI Expert™可优化逆变器性能且可即时计算温升数值，来源：PI
综上，PI提供的是BLDC电机一站式解决方案，其中使用软硬件结合的方式可以将BLDC电机逆变器睡眠模式功耗降低至10mW以下，输出功率扩展至1马力。
写在最后
关于出货价格和代理商情况，根据PI侧的消息，BridgeSwitch-2 IC基于10,000片的订货量单价为每片0.48美元。同时提供一款150W参考设计和设计报告RDK-974，可供免费下载。该产品采用直销和分销结合的销售模式，授权分销商包括：DigiKey、Newark、Mouser和RS Components。
下载ECAD模型
