电池供电电机有许多种类型。目前，大多数电池供电设备都使用三相无刷直流 (BLDC) 电机，因为它们能效高、供电平稳，是大功率和工业应用的理想选择。本文将介绍为电池供电应用选择电机控制方案时需要了解的关键信息。
在开始新设计之前，您必须知道每个电机都需要通过电机控制器来精确控制速度和扭矩。电机控制系统包括三个主要子系统（见下图1）。首先是控制器（例如 MCU），其输出为低压脉宽调制 (PWM) 信号，用于设定电机速度；接下来是栅极驱动器，负责接收来自控制器的低压输出，并放大电压和电流，以便驱动开关；最后，开关交替向电机的三个绕组提供电压/电流，从而产生扭矩。
采用电池供电电机的应用
电池供电应用可分为两大类：低压/低扭矩应用和高压/高扭矩应用。进行这种区分，是因为这两类应用在电机控制方面需要不同的产品和方案
低压应用的功率最高约 3 kW，具体包括电动工具（电钻、砂光机）、园艺工具（割草机、吹叶机）和低端无人机等。高端产品包括电动自行车、自动化机器人和电动滑板车等
高压应用的功率为 3 kW 至约 40 kW，具体包括低端的电动滑板车、自动引导车辆 (AGV) 和高尔夫球车，以及高端的自主移动机器人 (AMR)、电动拖拉机和电动/自动叉车等。
在电机控制方案中，选择合适的晶体管类型非常重要。对于低压应用，我们倾向于选择击穿电压较低的晶体管，因为其占用空间较小且具有成本效益。另一方面，对于高压应用，则需要击穿电压更高的晶体管来满足更高的功率需求并确保可靠运行。
高级系统框图
三相 BLDC 电机的典型系统框图如下图 3 所示。
三相 BLDC 电机需由三个半桥组成的三相逆变器来驱动，共计需要六个 MOSFET。三相全桥拓扑结构搭配适当的控制算法，可以精确控制电机的速度和方向，确保电池供电的电动工具高效可靠地运行。电机控制功能使用 PWM 信号来确定 ON 和 OFF 状态之间的转换。
栅极驱动器是控制 MOSFET 的关键，主要负责将来自电机控制器或微控制器的低功率控制信号转换为能够有效驱动 MOSFET 的高功率信号，确保 MOSFET 快速高效地导通/关断，从而精确控制电机的速度和方向。栅极驱动器还提供过电流和过压保护等保护功能，以保障电机和驱动电路安全。
位置传感器会测量转子或其他运动部件的旋转，以准确跟踪它们在环境中的位置和方向。这些传感器可布置为 BLDC 控制电子换向的一部分。电感式编码器相比传统的光学或磁传感器有许多优势，比如稳健、轻便，有助于简化电路的整体设计，并且对振动或污染不敏感。
关键考虑因素
业界专注于改进电机控制器，力求进一步缩小产品尺寸、提高其能效及可靠性，进而驱动更大功率的电机。而这需要提高组成电机控制器的器件和子系统的性能。
对于任何电机控制器的设计，第一步都是确定开关晶体管的电压额定值。直流电机确定了所需的直流电压，这决定了开关晶体管的电压额定值。这些晶体管的安全裕度需高于所需电压。对于场效应晶体管 (FET)，关键额定值是最大漏电压 (Vds)。例如，如果直流电机需要 100 VDC，那么至少选择电压额定值为 150 Vds 的 FET，保障 50% 的安全裕度，这对确保高可靠性至关重要。
接下来需要考虑的是能效（或功耗）。开关晶体管的功耗主要来自两个方面：开关损耗和导通损耗。通常而言，选择合适的 dv/dt 和 R DS(on) 组合，能够进一步改善电机控制器的功率密度，进而可以缩小尺寸和延长电池寿命。
只有确定了适合您设计的晶体管后，才能继续选择栅极驱动器。特定晶体管所需的输入电压和电流将决定使用哪种驱动器来进行导通和关断。选定晶体管和驱动器的组合后，就可以继续选择其他器件，包括控制器、LDO、降压稳压器、运算放大器等。
实现最佳性能的产品和方案
安森美 (onsemi) 提供了一系列功率半导体技术，适用于不同功率和速度要求的晶体管，如下图 4 所示：
硅 (Si) MOSFET 在性能、成本和热管理之间取得了良好平衡，是电池供电应用的实用之选。安森美新研发的 PowerTrench® 技术采用了屏蔽栅极沟槽设计，栅极电荷和 RDS(on) 都非常低，可以降低开关损耗和导通损耗。因此，PowerTrench T10 系列的功率密度和可靠性均优于前代技术，并且提供 40 V 和 80 V 方案以及多种封装选项。
所选定的晶体管将决定所需的驱动器类型。您还要考虑是否使用隔离栅极驱动器——这种驱动器能够隔离驱动器的输入和输出。一般的经验法则是，如果电机功率小于 2.5 kW，则不需要隔离。否则最好选择隔离驱动器，从而避免形成接地环路并保护用户安全。
其他驱动器考虑因素包括所需的灌电流/拉电流、工作电源电压以及是否需要内部电流检测放大器。
最后，驱动器还对应两种不同的设计方法，包括单相驱动器和三相驱动器。前者称为高边/低边驱动器，可驱动同一相位的两个晶体管，三相电动机中包含三个这样的驱动器；而后者则集成了六个驱动器，单个产品（例如 FAN7888）即可驱动电机所有三相的高边/低边。
为电池供电应用选择晶体管和驱动器时，需要考虑多种因素。作为合作伙伴，安森美可以提供全程指导，确保您做出合适的决策。
要了解更多有关特定产品和解决方案的信息，请参阅安森美用于电机控制系统的各种分立 LV-MV MOSFET 、栅极驱动器、电机驱动器和旋转位置传感器，为您未来的电池供电应用设计提供支持。
更多资源：
PowerTrench T10 系列
电池供电的电动工具系统方案指南
工业电机驱动器系统方案指南
智能移动机器人系统方案指南
