PI BridgeSwitch－2－高效无刷电机驱动的创新

无刷直流电机（BLDC）的应用量持续增长，各个市场对其需求不断增加。特别是在工业领域，对电机节能的要求日益严格，欧盟计划在2035年前节省2000亿美元的能源消耗。事实上电机在能源消耗中所占比例高达50%-60%，因此提升电机效率显得尤为重要。同时在家电领域，诸如欧盟ERP规定洗碗机效率的提升和待机能耗的限制等要求，以及印度市场对吊扇等产品节能的期望，也促进了无刷电机的发展。此外，用户对于更安静、更精确、更可靠的家电使用体验的追求，也进一步推动了无刷电机技术的应用。

随着无刷直流电机（BLDC）的广泛应用，电机驱动技术的不断革新变得十分关键。深耕于高压集成电路高能效功率变换领域的知名公司Power Integrations近期推出其全新高压集成半桥(IHB)电机驱动器IC产品系列BridgeSwitch-2，以其高效、可靠和灵活的特点，为电机驱动应用带来了全新的解决方案。

BridgeSwitch-2的核心优势

BridgeSwitch-2是一款高压集成半桥(IHB)电机驱动器IC，专为高达1马力（746W）的应用场景设计。其最大的特点在于集成了上管和下管的驱动，以及两个性能增强的FREDFET，使得整个系统能够以无损耗的方式进行电流检测，从而实现高达99%的逆变器效率。

简化散热设计：在封装上，BridgeSwitch-2延续了PI做功率器件的优势,其外露的散热焊盘便于热量从BridgeSwitch-2 IC传导至PCB板。


BridgeSwitch-2 采用了高压集成半桥（IHB）架构，这种设计不仅简化了系统布局，还显著提升了散热性能。可将IC温度降低30° C以上。传统电机驱动方案通常存在集中发热点，容易导致局部过热，而 BridgeSwitch-2 通过将热量均匀分布在整个 PCB 板上，有效避免了这一问题。这种优化不仅提升了系统的可靠性，还减少了对散热片的依赖，从而降低了整体成本。


另外，该公司的PI Expert™ 软件也支持散热的设计，PI Expert™可优化逆变器性能且可即时计算温升数值。该软件可以给客户一个直观概念，进而帮助工程师在做PCB板布局时，就可以预测到面积的大小，从而来达到最佳的效果。


精确的无损耗电流检测：值得一提的是BridgeSwitch-2提供了一项市场上独有的特性-无损耗相电流（IPH）检测功能，即对流经下管FREDFET的电机电流加以镜像检测。传统电机驱动方案中通常需要使用外部电流检测电阻和运算放大器，这不仅增加了元件数量，还可能受噪声的影响而导致测量误差。BridgeSwitch-2通过内置的IPH相电流检测功能，实现了对电机寿命高达92.5%的故障检测准确度，从而可以提前做到预知性的设备维护，减低设备使用期间的宕机时间。此外，这种高精度的电流检测还可以实时反馈电机的运行状态，经由MCU控制软件对电机的控制进行优化，并提高系统整体效率。

BridgeSwitch-2省去了传统检测电路所需的分流器、运算放大器和电平移动等器件。相比传统方案，基于IPH的电流信息在硬件和软件方面的综合运用，使得电流反馈电路的组成减少了90%，并可将逆变器的损耗减少10%以上。


下图左侧波形图为采用IPH的BridgeSwitch™-2方案，通过合成电流信息进行测试；而右侧则展示了传统方案，其中相电流由分流器和放大器测量得到，出现了大量噪声，导致相电流的正弦波形杂乱，从而产生了能量损耗的问题，再者也会影响电机的静音效果。需要注意的是，这两种电流波形均是采用相同的无感FOC控制的方式进行比较的。


低功耗待机模式:低功耗待机模式是BridgeSwitch-2在能效方面的另一个亮点。其创新的睡眠模式设计将电机在闲置时的待机功耗降至10mW以下。这一设计不仅使系统易于满足了欧盟ERP等严格的能效法规待机要求，还为设备在待机状态下提供了更多的可用输出功率，从而支持网络接入和监控等更多待机功能的实现。BridgeSwitch-2是如何实现低功耗待机模式的？其具体流程为：当微控制器检测到了“睡眠工作条件”，随后指示LinkSwitch-XT2 SR构成的辅助电源降低对BridgeSwitch-2 IC的供电电压。一旦BridgeSwitch-2检测到供电电压的降低，便切换至自供电工作模式。接着，微控制器强制BridgeSwitch-2进入睡眠模式，从而使逆变器变换级空载功耗降低至10mW以下。这种睡眠模式不仅显著降低了待机功耗，还确保在规定的待机功耗限值下（比如300mW待机功耗），可以提供更多的可用待机功率给负载。


MotorXpert软件套件，简化设计与优化性能：为了进一步简化电机驱动的设计和开发，Power Integrations 提供了 MotorXpert™ 软件套件。该套件支持单相梯形控制和三相无传感器磁场定向控制（FOC）模块，通过图形用户界面（GUI）工具“终端仿真器”和符合 MISRA C 标准的代码库，设计人员可以实时优化电机工作架构，无需重复更新固件。这不仅加快了产品开发速度，还确保了设计的高效性和可靠性。该套件专注于充分发挥不同电机的特性，提供了多项主要功能和优势，包括控制功能，如电机的启动和停止，实现灵活的电机控制；设置功能，如电机的调试、启动过程优化以及各项应用参数和保护特性的设定，使用户能够定制化电机驱动器的配置；可视化的信息，包括提供电机及逆变器故障诊断、电机电流和转速等关键信息以及数字示波器显示波形，帮助用户更直观地了解系统运行状态；其易于使用的界面，具有高度的参数可设定性，用户可以在电机运行期间就可对参数进行设置，无需在MCU上修改程序代码，最后还能够生成配置文件方便批量生产。该软件同时还支持单相电机和三相电机的应用，使得整个配置过程更加简便和灵活。

广泛的应用场景：BridgeSwitch-2适用于功率范围为30W至1马力的电机应用，包括家用电器和工业设备。在冰箱压缩机、暖通空调、洗碗机、油烟机热泵、循环泵、吊扇、滚筒洗衣机、研磨机和搅拌机等设备中，BridgeSwitch-2都能显著提升电机驱动的性能和效率。

综上所述，BridgeSwitch-2系列产品的推出将极大地推动无刷电机驱动技术的发展。通过其创新的IHB架构、高精度的电流检测、低功耗的待机模式以及强大的MotorXpert软件套件，为电机驱动应用带来了全面而深刻的技术革新。这些创新提升了电机驱动的性能和效率，满足了新兴市场对于节能、高效、可靠的需求。不论是在家用电器还是工业设备中，BridgeSwitch-2都展示出了其无与伦比的优势，为用户提供了更高效、更可靠的电机驱动解决方案。