【導讀】軟件和硬件都是所有電機控製係統的一部分，例如 IGBT、WBG 半導體和 MCU。工業4.0defazhanqianglieyilaiyudianjikongzhi
，dannengyuanxiaohaoshiyigeguanjianwenti，yinweitazhengzaikuaisuzengchang，bingqiexuqiusuizheshejidefuzaxingerzengchang
，yinweixuduodianzijishudouyouyangedekongzhiyaoqiu。kuandaixi (WBG) 材料就是這種情況的一個例子。

軟件和硬件都是所有電機控製係統的一部分，例如 IGBT
、WBG 半導體和 MCU。工業4.0defazhanqianglieyilaiyudianjikongzhi，dannengyuanxiaohaoshiyigeguanjianwenti，yinweitazhengzaikuaisuzengchang

，bingqiexuqiusuizheshejidefuzaxingerzengchang，yinweixuduodianzijishudouyouyangedekongzhiyaoqiu。kuandaixi (WBG) 材料就是這種情況的一個例子。

conggongnengdejiaodulaikan，dianjikongzhiyoujigecengcizucheng。liru
，yundongkongzhixuyaozhixingfeichangfuzaqiejisuanmijixingdekongzhisuanfa。dianjikongzhihangaileguangfandeyingyong
，congfengshanhebengdejiandankongzhidaogengfuzadegongyekongzhiwenti
，baokuojiqirenhesifujigou。zaizheli，womenlaikankandianjikongzhixitongdeguanjianzujian。

電機和驅動器直流電機是常見的，因為它們更便宜，並且由定子（固定部分）（即永磁體）和運動部分（轉子）組zu成cheng，運yun動dong部bu分fen容rong納na連lian接jie到dao提ti供gong電dian流liu的de換huan向xiang器qi的de繞rao組zu。電dian機ji的de速su度du控kong製zhi是shi通tong過guo調tiao節jie直zhi流liu電dian流liu來lai實shi現xian的de。為wei此ci，根gen據ju應ying用yong的de性xing質zhi，使shi用yong全quan橋qiao
、半橋或降壓轉換器來驅動直流電機。

交流電機基本上由變壓器組成，變壓器的初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導感應次級電流。基於微處理器的電子設備
、逆變器和信號調節用於控製該電機的速度。

控製器是一種電子設備，在控製係統中充當“大腦”。shiyongdekongzhiqishulianggenjuxuyaokongzhidedangejinchengdeshuliangerbianhua。duiyuyigefuzadexitong，kenengyouhenduokongzhiqi。meigekongzhiqidoukeyixiangdianjifasongmingling，tongshijieshoulaizizhixingqibenshendezhiling。

工業應用中使用的機器人係統主要使用由交流電壓（AC）供電的三相電機。作為示例， 圖 1 顯示了電子控製電路的框圖，其中專用微控製器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現複雜的數字濾波算法。

交流供電三相感應電機控製框圖圖 1：交流供電三相感應電機控製框圖（德州儀器）直流電機的控製器示例是 Trinamic 的 TMCM-1637  5-A RMS 和 TMCM-1638  7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控製器/驅動器，添加了霍爾和 ABN 編碼器功能，用於磁場定向控製（或矢量控製）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流（BLDC）電機（圖2）。

TMCM-163x 解決方案圖 2：TMCM-163x 解決方案（Trinamic）IGBT絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現了電力控製電子領域的真正創新。作為開關解決方案，創新來自於高開關頻率。IGBT 代表了電力控製設備的基本功能，非常適合解決複雜的電機控製問題。

的解決方案在特別極端的使用條件下

，例如在汽車領域實施逆變器來驅動電動機時
，在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關係。 STMicroElectronics 的1,200V IGBT S 係列就是一個例子 。這些 IGBT 針對低頻（高達 8 kHz）使用進行了優化，並具有低 V ce(sat)的特點。1,200V IGBT S 係列基於第三代溝槽柵極場截止技術。

氮化镓和碳化矽然而，寬帶隙材料
、氮化镓和碳化矽正在作為矽基器件的替代品，在電機控製應用領域取得進展。在電力電子領域，WBG材料的主要優點包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率
、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過矽可實現的150°C上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。

例如
，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的電子遷移率較高，可轉化為更高的開關速度
，因為通常積聚在接頭中的電荷可以更快地分散。GaN可實現更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，這些都有助於其實現低開關損耗以及在高達 10 倍開關頻率下工作的能力高於矽。

減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱以及更簡單的冷卻係統。許多電機控製應用需要風扇提供強製空氣冷卻
，以便在設備的安全操作限製內運行。通過使用 GaN，可以降低功耗並實現“無風扇”操作
，這對於電子無人機等輕量應用尤為重要。

在工業電源應用中，電子設計人員還可以通過使用 SiC MOSFET 來獲益，與 IGBT 等傳統矽基解決方案相比，它可顯著提高效率
、縮小散熱器尺寸並降低成本。 SiC 技術可實現單位麵積極低的 R DS(on) 、高開關頻率以及體二極管關斷後發生的反向恢複階段中可忽略不計的能量損失。

SiC器件在電機控製和電力控製應用中的使用是一個真正的突破，因為它具有節能、尺寸減小
、集成度更高和可靠性高等特點。這些功能使其非常適合汽車和工業自動化控製等高可靠性領域。

在工業驅動中

，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dV/dt huizengjiachangdianjidianlanshangdedianyajianfeng，bingkenengchanshenggongmohechamojishengdianliu
，suizheshijiandetuiyi，zhexiedianliuhuidaozhiraozujueyuanhedianjizhouchengchuxianguzhang。jinguangengkuaidekaiqi/關閉可以提高效率，但出於可靠性原因
，工業驅動器中的典型 dV/dt 通常設置為 5 至 10 V/ns。

意法半導體對兩種類似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的施加條件下（圖 3）。

基於兩電平、三相逆變器的驅動圖 3：基於兩電平、三相逆變器的驅動器（STMicroElectronics）由於節能、尺寸減小
、集ji成cheng機ji會hui和he可ke靠kao性xing等deng特te點dian
，碳tan化hua矽gui器qi件jian在zai電dian機ji控kong製zhi和he電dian力li控kong製zhi應ying用yong中zhong的de使shi用yong總zong體ti上shang是shi一yi個ge真zhen正zheng的de突tu破po。除chu其qi他ta選xuan項xiang外wai，現xian在zai可ke以yi在zai所suo連lian接jie電dian機ji的de逆ni變bian器qi電dian路lu中zhong使shi用yong開kai關guan頻pin率lv
，這zhe為wei電dian機ji設she計ji帶dai來lai了le重zhong要yao優you勢shi例li如ru
，英ying飛fei淩ling科ke技ji公gong司si基ji於yu SiC 的 CoolSiC MOSFET 采用 .XT 互連技術，采用 1,200V 優化的 D?PAK-7 SMD fengzhuang
，kezaisifuqudongqidenggonglvmiduguanjianxingdianjiqudonglingyushixianbeidonglengque，congerweijiqirenhezidonghuaxingyetigongzhichishishimianweihuhewufengshandianjinibianqi（圖 4）。

在自動化領域，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節省了維護和材料方麵的成本和精力。例如
，英飛淩采用 .XT 互連技術的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的散熱能力，非常適合機器人手臂中的驅動集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 ?s，額定電阻為 30 mΩ 至 350 mΩ。這滿足了伺服電機的要求。

所有工作模式下的傳導損耗均降低圖 4：所有工作模式下的傳導損耗降低（英飛淩科技）微控製器電機控製解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控製器件
，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功(gong)率(lv)二(er)極(ji)管(guan)等(deng)，而(er)軟(ruan)件(jian)組(zu)件(jian)則(ze)解(jie)決(jue)日(ri)益(yi)複(fu)雜(za)和(he)精(jing)密(mi)的(de)硬(ying)件(jian)控(kong)製(zhi)問(wen)題(ti)。針(zhen)對(dui)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)控(kong)製(zhi)和(he)管(guan)理(li)而(er)優(you)化(hua)的(de)計(ji)算(suan)架(jia)構(gou)的(de)出(chu)現(xian)使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)無(wu)法(fa)獲(huo)得(de)的(de)性(xing)能(neng)。

恩智浦半導體和瑞薩電子就是幾個例子。NXP 的 MPC57xx 係列 32 位處理器基於 Power Architecture 技術
，除了其他汽車控製和功能管理功能外，還適用於汽車和工業動力總成應用。該處理器提供 AEC-Q100 質量、用於防篡改的片上安全加密保護

，並支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全（ISO 26262/ IEC 61508）。它們提供以太網 (FEC)、雙通道 FlexRay 以及針對不同通信協議的多 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。

Renesas 提供 基於 Arm Cortex-M4 內核的RA6T1  32 位 MCU
，運行頻率為 120 MHz，並具有一係列針對高性能和精密電機控製而優化的外設。單個 RA6T1 MCU 多可同時控製兩個 BLDC 電機。此外，適用於 TinyML 應用的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強型故障檢測功能，為客戶提供智能、易於使用且經濟高效的無傳感器電機係統，以實現預測性維護。

電機要求因應用而異，可能需要針對特定??用例進行優化和微調。市場提供了多種 IGBT、WBG 半導體和 MCU 解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發新的硬件來卸載處理器的實時關鍵任務，同時支持更多的診斷
、預測性維護和人工智能以及功能安全係統。

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