迈信电气与英飞凌合作开发基于SiC-MOSFET的一体化伺服电机系统

当今常见的交流伺服系统，通常由伺服变频器和永磁同步电机构成，两者用线缆连接在一起。而在一个多电机的应用场景中（譬如多关节6/7轴工业机器人），常常面临着功率线缆过多的难题：成本高，易疲劳老化，转弯半径大…

内部集成变频器的一体式伺服电机

将完美解决诸如此类的问题

 迈信电气与英飞凌合作开发

基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统

较少的对外接口极大简化了应用系统的外围配件，只需2条直流线缆即可取代传统21条(3相*7电机）交流驱动线缆，节约成本/体积并利于现场快速灵活的应用设计。

一、一体式伺服电机内部结构及原理示意图

主要分为以下几个部分

A. 电机
与传统永磁电机相同。

B. 码盘
采用新一代磁编芯片TL5109，体积小精度高。

C. 控制板
采用XMC4800作为主控制芯片，内部集成EtherCAT等功能。

D. 驱动板
采用集成米勒钳位功能的驱动芯片（1EDI20I12MH), 可使用单电源供电来驱动SiC-MOSFET，简化电路设计。

E. 功率板
选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET，采用铝基板传热至外壳。

F. 后壳
因整体耗散功率较小，增加少量的鳍片即可满足自然对流散热要求。

注：上述产品“基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统”的控制板、驱动板、功率板为迈信电气自主研发设计。

二、CoolSiC™ MOSFET的应用优势

1、较低的导通损耗
SiC MOSFET的通态压降由其沟道的RDS(on)决定，而IGBT的通态压降由PN结和漂移区电阻构成。在电机驱动类应用中，通常负载电流区间小于器件的标称电流值，因此SiC MOSFET的导通损耗优于同等规格的IGBT器件。

2、较低的开关损耗
SiC MOSFET开通关断速度均快于IGBT，且没有拖尾电流。常温下，SiC MOSFET的开通损耗约是同等规格IGBT的50%，关断损耗约是20%。值得注意的是，高温下SiC MOSFET开关损耗受结温的影响不大，而IGBT的开关损耗可能增加一倍以上。

3、优异的开关速度可控性
CoolSiC™ MOSFET测试中表现出了优异的可控性，仅通过Rg阻值大小即可调节其开关速度，进而优化Eon，Eoff，dv/dt等指标。

三、系统损耗和温升仿真

基于伺服应用的实际工况，通过仿真软件模拟了周期性过载3倍额定电流输出下的损耗及温升，条件如下：

Vdc=800V，Uout=400V,
Iout=20Arms，cosφ=0.8,
fout=50Hz， fsw=20kHz，Th=110℃,
20% duty per second.

结果显示，每个SiC-MOSFET平均功耗约4.4W，每周期结温温升约35K，离Tvjmax=175℃仍有较大裕量。

四、散热鳍片设计及热仿真

根据损耗仿真的结果，可以按照30W的耗散功率通过下面公式来计算自然散热需要的鳍片个数（面积）：

S=Pavg/(h×∆T)
S：散热面积；Pavg：平均功耗
h：换热系数；∆T：平均温差

根据计算出的结果，来设计后盖的具体尺寸。最后将3D模型输入到热仿真软件中，结果如下：

• 在环温40℃下，外壳表面温度约70~80℃；
• 铝基板表面最高温度约113℃，此温度近似等同于Th温度。

因此，自然对流散热可满足SiC MOSFET器件的散热需求，无风扇设计也有助于提高系统可靠性。

五、原理样机设计

六、试验结果

在实验室中，对电机施加模拟惯量负载，完成了电机的正反转极限加减速试验。试验中通过控制器分别给予时间宽度为150ms和50ms加减速信号，电机长期工作在正反转往复状态（+1500rpm~-1500rpm），其峰值电流分别达到了11A和28A，最大输出能力得到了验证。

七、说明

• 本项目由英飞凌、晶川和迈信共同合作开发，感谢各方的努力付出。
• 开发过程中的部分设计文档和测试报告，后期可以分享给英飞凌的客户使用。
• 基于功率板和驱动板的评估套件正在准备中，后期可在英飞凌官网链接申请购买。

更多信息敬请关注：

1. Infineon PCIM virtual booth 2020（2020.6.30~7.3）›7月3日13:30-14:00的演讲题目：CoolSiC™ MOSFET in SMD package for servo drives-A new level of simplicity and safety in high-voltage auxiliary circuitry.
2. PCIM Asia（已推迟到2020年11月）即将发表的文章