伴隨氮化鎵（GaN）功率器件、超高速電機(jī)與高功率密度系統(tǒng)持續(xù)演進(jìn)，電機(jī)控制系統(tǒng)正進(jìn)入新的技術(shù)拐點(diǎn)。尤其在高速、低電感、高電角速度應(yīng)用中，一個(gè)長(zhǎng)期被行業(yè)忽視的結(jié)構(gòu)性矛盾日益凸顯：功率級(jí)已跨入100KHz時(shí)代，而控制級(jí)仍普遍停留在更低頻的“舊世界”。這種電流環(huán)與PWM非同步架構(gòu)在超高速工況下，會(huì)持續(xù)放大采樣、計(jì)算與更新鏈路中的延遲影響，逼近工程設(shè)計(jì)的邊界。

近日，國(guó)產(chǎn)電機(jī)控制MCU領(lǐng)軍企業(yè)廣芯微電子（Unicmicro）與全球氮化鎵工藝創(chuàng)新與功率器件制造領(lǐng)導(dǎo)者英諾賽科（Innoscience），聯(lián)合發(fā)布基于UM32G421確定時(shí)序?qū)崟r(shí)控制MCU、INS2040FQ驅(qū)動(dòng)芯片及INN060EB009DAD氮化鎵功率管的“100KHz雙頻同步FOC控制方案”。

在2對(duì)極超高速永磁同步電機(jī)（PMSM）測(cè)試平臺(tái)上，該方案已成功實(shí)現(xiàn)250,000 RPM機(jī)械轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定閉環(huán)運(yùn)行；在實(shí)驗(yàn)室極限工況下，機(jī)械轉(zhuǎn)速進(jìn)一步超過(guò)270,000RPM，對(duì)應(yīng)電頻率約9.0KHz。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在800W典型工況下，該方案在100KHz載頻條件下實(shí)現(xiàn)了97.6%的板級(jí)峰值效率，顯著降低了散熱需求與板級(jí)溫升。

圖1：100KHz雙頻同步電機(jī)控制板

一、確定時(shí)序：推動(dòng)控制從“平均正確”走向“時(shí)序正確”

本次方案的關(guān)鍵突破，不只是單純推高PWM頻率，而是實(shí)現(xiàn)了PWM載頻與FOC電流環(huán)更新頻率同為100KHz的高維同步。

這意味著系統(tǒng)在每一個(gè)10μs周期內(nèi)，均能獨(dú)立完成采樣、計(jì)算、更新與生效，將等效控制延遲嚴(yán)格控制在TDelay＜1xTpwm以內(nèi)。對(duì)于高電頻、低載波比的超高速應(yīng)用而言，這種“確定時(shí)序”能力從根本上抑制了跨周期歷史信息混入控制決策的風(fēng)險(xiǎn)，極大提升了高速段電流環(huán)、觀測(cè)器與調(diào)制過(guò)程的整體穩(wěn)定性。

二、核心硬件協(xié)同：算力與功率的深度耦合

方案的穩(wěn)定落地，源于控制與功率兩個(gè)維度的深度硬件協(xié)同，全面超越傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)與國(guó)際主流競(jìng)品的工程極限：

控制心臟（廣芯微電子UM32G421 MCU）：憑借獨(dú)特的定時(shí)器倍頻技術(shù)，PWM分辨率達(dá)到納秒級(jí)；內(nèi)置高達(dá)204MHz（Boost模式）的運(yùn)算核心，將FOC環(huán)路計(jì)算時(shí)間壓縮至<3μs以內(nèi)（不含觀測(cè)器時(shí)間），為100KHz單周期內(nèi)的復(fù)雜算法與安全檢測(cè)預(yù)留了充足裕量。此外，芯片內(nèi)置的高速運(yùn)放（OPA）與比較器支持納秒級(jí)硬件短路保護(hù)響應(yīng)，完美護(hù)航GaN器件的安全運(yùn)行。UM32G421已獲得AEC-Q100 Grade 1車規(guī)級(jí)認(rèn)證。

圖2：UM32G421-KCU7 實(shí)物圖

UM32G421是一顆面向電機(jī)控制與高性能電力電子的“確定時(shí)序”實(shí)時(shí)控制MCU。所謂“確定時(shí)序”，是指控制系統(tǒng)能夠在預(yù)定周期內(nèi)，以可預(yù)測(cè)、低抖動(dòng)的方式完成采樣=》計(jì)算=》調(diào)制更新與納秒級(jí)保護(hù)響應(yīng)。它通過(guò)高分辨率定時(shí)器、外設(shè)同步觸發(fā)鏈、高速模擬前端與快速硬件保護(hù)機(jī)制，強(qiáng)化了控制鏈路的時(shí)序可控性，適用于電機(jī)控制、DCDC、數(shù)字電源、逆變器、PFC等對(duì)時(shí)序一致性、低延遲保護(hù)和高速閉環(huán)響應(yīng)要求極高的場(chǎng)景。

圖3：UM32G421-KCU7 資源框圖

能量引擎（英諾賽科GaN功率級(jí)）：本方案搭配英諾賽科的INS2040FQ柵極驅(qū)動(dòng)器以及六顆INN060EB009DAD氮化鎵功率管。憑借驅(qū)動(dòng)鏈路約25ns的超低傳播延遲以及GaN器件的零反向恢復(fù)（Zero Qrr）特性，系統(tǒng)在100KHz高頻開關(guān)條件下仍保持極低的開關(guān)損耗。

圖4：基于UM32G421 + INS2040FQ +INN060EB009DAD的硬件拓?fù)淇驁D

表1：英諾賽科 GaN方案 vs 傳統(tǒng) Si方案 (材料級(jí)對(duì)比)

本方案的核心意義在于：讓控制從“平均意義正確”，升級(jí)為“時(shí)序意義正確”，確保在每一個(gè)PWM周期內(nèi)完成獨(dú)立、確定的控制決策。

三、突破載波比極限：從N≈15到N≈11

本次發(fā)布的關(guān)鍵突破，在于重新界定了超高速電機(jī)控制的工程可行域。廣芯微電子技術(shù)團(tuán)隊(duì)在充分挖掘UM32G421控制資源的基礎(chǔ)上，于實(shí)測(cè)中實(shí)現(xiàn)了如下關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：

“在2對(duì)極（4極）超高速PMSM電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)100KHz PWM與100KHz電流環(huán)的同步更新控制。于機(jī)械轉(zhuǎn)速約270,000RPM（對(duì)應(yīng)電頻率fe≈9.0KHz工況下，按(N=fpwm/fe定義的載波比達(dá)到(N≈11)。系統(tǒng)采用雙采樣/雙更新的同步架構(gòu)，將采樣—計(jì)算—更新—生效的等效控制延遲控制在TDelay＜1xTpwm，實(shí)現(xiàn)高速段無(wú)失步、無(wú)失控的穩(wěn)定運(yùn)行。”

四、實(shí)測(cè)波形解讀：在物理極限附近保持確定性

1. 100KHz雙頻同步波形

圖5：實(shí)測(cè)100KHz載頻下的PWM波形（藍(lán)色）與相電流波形（綠色）

如圖所示，PWM波形與相電流波形在時(shí)序上高度對(duì)齊，F(xiàn)OC控制在每一個(gè)PWM周期內(nèi)完成獨(dú)立矢量計(jì)算。相電流呈現(xiàn)出畸變極低、接近理想正弦的形態(tài)，諧波含量極低。

2.極限工況下的調(diào)制魯棒性

圖6：超高轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)，電頻率達(dá)9.058KHz（折合電轉(zhuǎn)速約543,480RPM）

如圖所示，當(dāng)電頻率逼近9.06KHz（載波比(N≈11)），低載波比的惡劣離散采樣條件下，UM32G421的觀測(cè)器依然能緊鎖相位，保持連續(xù)可控的相電流基波，證明了在這一極限區(qū)間下的可控性與穩(wěn)定運(yùn)行能力。

面向高速響應(yīng)與高功率密度賽道

基于時(shí)序確定性、先進(jìn)調(diào)制與寬禁帶功率級(jí)深度協(xié)同的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，該平臺(tái)的意義不只在于實(shí)現(xiàn)了100KHz雙頻同步，更在于驗(yàn)證了高計(jì)算載頻與高發(fā)波載頻在高速閉環(huán)控制中的系統(tǒng)級(jí)價(jià)值：前者提升控制更新率與觀測(cè)實(shí)時(shí)性，后者改善調(diào)制分辨率與紋波表現(xiàn)，而平臺(tái)在采樣窗口、死區(qū)、調(diào)制方式與檢測(cè)鏈路之間形成的協(xié)同優(yōu)化，則為高電頻、低載波比場(chǎng)景下的穩(wěn)定運(yùn)行提供了關(guān)鍵支撐。

本平臺(tái)驗(yàn)證了一套面向高電頻、低載波比、高速閉環(huán)場(chǎng)景的領(lǐng)先控制能力，這套能力具備向多個(gè)高價(jià)值電機(jī)與電力電子應(yīng)用遷移的潛力。該平臺(tái)尤其契合對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)速與輕量化有嚴(yán)苛要求的高價(jià)值市場(chǎng)，例如高KV值FPV穿越機(jī)FOC電調(diào)及高性能無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。同時(shí)，該方案也為超高速微型壓縮機(jī)、高功率密度科技家電，以及未來(lái)向機(jī)器人高端靈巧手微型執(zhí)行器、EDF涵道風(fēng)扇等方向的演進(jìn)，構(gòu)建了可遷移的底層控制平臺(tái)。

關(guān)于廣芯微電子

廣芯微電子是一家專注于電力電子核心控制芯片及場(chǎng)景化系統(tǒng)解決方案的高科技企業(yè)。我們圍繞傳感交互與電機(jī)與電源兩大場(chǎng)景，自主研發(fā)高性能、高精度、高實(shí)時(shí)性MCU、PD快充協(xié)議芯片、Sub-GHz無(wú)線通信芯片等關(guān)鍵產(chǎn)品，并提供無(wú)人機(jī)、熱管理風(fēng)機(jī)、微型逆變器、智能鋰電、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)等全棧式方案，助力客戶在新能源、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效化與智能化升級(jí)。