克服伺服驱动设计中的温度和耐力挑战。
20世纪60年代的自动化工程师会羡慕今天使用的伺服技术。它们小巧、精确，最重要的是，它们是我们今天所拥有的半导体控制、传感器和电源技术的紧凑性的反映。今天最大的挑战仍然是伺服和控制器之间的布线。众所周知，由于必须承受来自电机和控制信号的大电流，电缆是电磁干扰(EMI)的重要来源。此外，阻抗不匹配引起的反射波通常是故障的来源，导致电机绕组绝缘的破坏应力。理想情况下，将驱动器和控制器结合到伺服电机将解决许多挑战。
目前,硅igbt主要是伺服驱动电路。凭借其优异的高压性能，制造商多年来稳步降低了损耗和寄生的影响。此外，封装技术有助于减少电路的体积。然而，由于这些驱动系统必须处理200%甚至300%的过载情况，被动冷却和集成igbt伺服电机仍然难以实现。
感谢的介绍宽禁带(WBG)碳化硅(SiC) mosfet，设计师现在有一个新的工具应用于伺服驱动设计。与igbt相比，它们可以在更高的温度下工作，提高耐久度，再加上更低的开关损耗和更高的漏源极电压，是这种应用的理想选择(图1)SiC MOSFET也可以通过极低阻力的通道从源头进行排水，允许使用节能同步整流技术。
图1:由于Q, igbt遭受了显著的能量损失rr与SiC mosfet相比，在高温下会恶化。
搬到原文如此它还带来了许多其他好处。所发生的损失对温度的依赖性小得多，室温和175°C操作之间的差异很小。电磁兼容性(EMC)更容易实现，因为dv/dt可以通过门电阻R来控制G．门也打开了更高的开关频率。这使得占用空间的磁性元件缩小，使伺服系统能够更快地响应动态负载变化。与基于igbt的设计相比，在相同的工作温度下，设计人员可以将工作温度降低40%或提供65%以上的功率。
由于采用了集成伺服设计的金属芯印刷电路板(MCPCB)，再加上低损耗的辅助电路和导热环氧树脂，可以更简单地控制热挑战。热模拟结果表明，当使用300厘米的齿形后盖时2例如，集成sic设计的顶部温度仅为113°C，而背面温度低于80°C(图2)。
图2:一个紧凑的、完全集成的基于sic的伺服系统的有限元热分析。
展示碳化硅在伺服驱动器的实际效果是一个堆叠，三板评估系统使用IMBG120R030M1H， 1200 V/30 mΩ CoolSiC MOSFET(图3)。电源板放置在离机箱最近的位置。使用紧凑的PG-TO263-7封装有助于紧凑的设计和低重量。该封装还具有开尔文源引脚，可用于降低三倍的EON损耗，并符合JEDEC 47/20/22的工业应用要求。英飞凌. xt互联技术的使用也有助于缓解热挑战。它的扩散焊接方法提供了25%的提高热阻的焊接过程中使用的替代包装。
图3:集成伺服电机(左)和紧凑的基于sic的驱动板(右)。
在堆栈的下一个板房子英飞凌1 edi20i12mhEiceDRIVER提供高达6 a的典型峰值电流，满足所使用的1200 V SiC mosfet的需求。电隔离，使用无芯变压器，他们还集成米勒夹，以防止寄生打开。
在最后的板上提供控制的是XMC4800， 144兆赫的ARM Cortex-M4工业微控制器。2048 kBytes的闪存和高达352 kBytes的SRAM，再加上DSP和MAC指令，它可以很好地应对三相电机控制算法及其数字反馈环路的挑战。低延迟通信总线(如EtherCAT从站)的集成也简化了系统集成。转子位置是使用各向异性磁阻(AMR)传感器，TLE5109。由于其集成的温度补偿，它有助于伺服的高精度水平。
从600 V直流电源运行，评估集成伺服电机已被证明是可靠的测试条件下，加速伺服在±1500 RPM之间慢(150 ms)和快速(50 ms)周期(图4)。
图4:综合伺服评估设计的慢、快周期(左/右)加减速试验。
SiC对伺服驱动器开发人员的可用性允许工程师最终将电机和驱动系统集成到一个解决方案中。再加上紧凑且高度集成的32位XMC微控制器和磁传感器，以及热优化的MOSFET封装，这可能最终标志着伺服系统电缆的终结。
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