安森美：电源与电机控制方案如何更好应用于自主移动机器人

发布时间：2023-09-06 09:15
作者：AMEYA360
来源：网络
阅读量：1982

　　自主移动机器人 (AMR) 为不同领域和行业带来了诸多优势，包括提高了安全性和效率。然而，为了能够安全、独立地工作，这些复杂的系统需要精心集成多项技术。在开发 AMR 时，设计阶段在很大程度上决定了 AMR 成功与否，因此至关重要。本博客详细讨论了 AMR 的两个重要组件——电源和运动控制的设计注意事项，以及安森美(onsemi)提供的相应解决方案。

安森美：电源与电机控制方案如何更好应用于自主移动机器人

　　为 AMR 供电

　　自主移动机器人中使用的电源系统和电源组件会对其总电池寿命和工作时长产生重大影响。为 AMR 设计电源系统时要考虑的重要性能特征和参数包括：

　　*能量密度

　　*电压和电流要求

　　*效率

　　*方案尺寸

　　AMR 通常使用锂离子电池，因为此类电池的能量密度高，使用时间长。同时，电源管理单元可调节从电池到其他组件的功率流。电压和电流水平通过开关转换器和稳压器进行控制。AMR 中的电池管理系统可监控电池的状态、电量、温度和电流，以确保 AMR 安全高效地运行，而车载电池充电器的规格取决于电池类型、容量和电压。智能电源模块为电机控制系统提供高功率开关。IPM 中的功率开关配有栅极驱动器，用于提供相应的信号来打开和关闭开关。功率因数校正 (PFC) 控制器可提升电源系统的总效率。安森美的 PFC 控制器非常适合 AC-DC 电源应用，比如图腾柱无桥 PFC 前端或基于 LLC 谐振拓扑的 DC-DC 级。它们还适用于高电压 DC-DC 功率级，可在 AMR 中实现高效率和高密度快速电池充电器设计。

　　AMR 执行器的电机设计

　　在 AMR 中，电机驱动型执行器用于移动机器手臂和轮子，因此其选择至关重要。AMR 需要采用效率高且紧凑轻便的高扭矩和高速执行器。选择执行器时，需要对无刷直流 (BLDC) 电机、电机控制器、MOSFET、通用控制器板 (UCB) 和栅极驱动器等组件进行评估。

　　与有刷电机相比，BLDC 电机具有多个优势。其效率高、噪声低且高度可靠，可以减少维护工作，因此被应用于 AMR 中。然而，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器。三相 BLDC 电机广泛用于机器人和工业驱动器。

　　电机控制器的功能是精确控制 AMR 执行器中的电机。这些器件可完全集成(通过嵌入式控制算法)，或者可使用运行电机控制算法的专用微控制器单元 (MCU)。(AMR 中常见的)三相电机由功率晶体管使用脉宽调制 (PWM) 开-关信号驱动，这些开关可由硅或宽禁带材料制成，比如碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN)。安森美提供多个 BLDC 电机控制解决方案，包括 ECS640A ecoSpin™ 电机控制器 UCB、NCP81075 栅极驱动器，以及可用于加速 AMR 执行器开发的电源板。

　　UCB 是基于 Xilinx® Zynq®-7000 SoC 的系统级模块 (SoM)，非常适合精密应用，也可用于先进的人工智能 (AI) 。此外，安森美提供基于屏蔽栅极沟槽技术的 MOSFET(30V 至 150V)，并提供 u8FL、SO8-FL、双面冷却和顶部冷却等封装选项。基于 T10 技术的全新 30-40V 和 80V MOSFET 支持低压与中压应用。T10 器件分为两大类别，分别用于电源转换和电机控制。用于电机控制的 T10M 器件提供出色的导通电阻，UIS 能力提高 10%，并具有优异的体二极管软恢复性能，可降低电压尖峰并解决 EMI 问题。对于高功率应用中的三相 BLDC 电机，安森美推荐使用基于 PTNG 技术的 MOSFET(80V、100V、120V和150V)，而 NTMTSC1D6N10MC、NTMTSC4D3N15MC、NTBLS1D5N10MC 和 NTBLS4D3N15MC MOSFET 可满足高性能应用的要求。

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安森美发布升级版功率模块，助力太阳能发电和储能的发展
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安森美发布升级版功率模块，助力太阳能发电和储能的发展

　　今日，安森美 (onsemi) 推出采用 F5BP 封装的最新一代硅和碳化硅混合功率集成模块 (PIM)，非常适合用于提高大型太阳能组串式逆变器或储能系统 (ESS) 的功率。与前几代产品相比，这些模块在相同尺寸下提供了更高的功率密度和效率，将太阳能逆变器的总系统功率从 300 kW提高到 350 kW。这意味着，使用最新一代模块的装机容量为一千兆瓦的大型太阳能发电场，每小时可实现近两兆瓦的节能效果，相当于每年为超过 700 户家庭供电。此外，要达到与上一代产品相同的功率，所需的模块数量更少，可将功率器件的元器件成本降低 25% 以上。　　由于太阳能发电的平准化能源成本 (LCOE) 最低，太阳能正日益成为全球可再生能源发电的首选。为了弥补太阳能发电的不稳定性，公用事业运营商也在增设大型电池储能系统 (BESS) ，以确保电网的稳定供能。为了支持这种系统组合，制造商和公用事业公司需要能够提供最高效率和可靠电力转换的解决方案。每提高 0.1% 的效率，对于每千兆瓦装机容量，每年可节省 25 万美元的运营成本。　　“作为一种依赖阳光的波动性能源，我们需要不断提高系统效率和可靠性，并采用先进储能解决方案，以确保全球电网在电力需求高峰期和非高峰期的稳定性和可靠性。”安森美电源方案事业群工业电源部副总裁 Sravan Vanaparthy 表示，“更高效的基础设施会促进采用，并确保随着更多太阳能发电设施的建成，减少能源浪费，推动我们在摆脱化石燃料的道路上不断前进。”　　F5BP-PIM集成了1050V FS7 IGBT和1200V D3 EliteSiC二极管，实现高电压和大电流转换的同时降低功耗并提高可靠性。FS7 IGBT 关断损耗低，可将开关损耗降低达 8%，而EliteSiC二极管则提供了卓越的开关性能，与前几代产品相比，导通压降 (VF) 降低了15%。　　这些PIM包含了一种创新的I型中点箝位 (INPC) 拓扑结构的逆变器模块和飞跨电容拓扑结构的升压模块。这些模块还使用了优化的电气布局和先进的直接铜键合 (DBC) 基板，以降低杂散电感和热阻。此外，铜基板进一步将结到散热片的热阻降低了9.3%，确保模块在重载下保持冷却。这种热管理对于保持模块的效率和使用寿命至关重要，使其在需要可靠和持续供电的苛刻应用中非常有效。
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