市場(chǎng)水漲船高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制芯片廠商迎來(lái)切換窗口

新國(guó)標(biāo)實(shí)施以后，將會(huì)對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行洗牌，而能效不達(dá)標(biāo)的電機(jī)廠商將不得不更改設(shè)計(jì)，這時(shí)國(guó)內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制芯片廠商如能利用合適的方案，幫助客戶快速推出符合新國(guó)標(biāo)的產(chǎn)品，將是擴(kuò)大市場(chǎng)份額的絕好機(jī)會(huì)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Grand View Research（簡(jiǎn)稱GVR）2021年1月發(fā)布的報(bào)告顯示，2020年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1427億美元，而2021至2028年復(fù)合增長(zhǎng)率有望保持在6.4%的速度。2028年銷售額達(dá)到2325億美元。電機(jī)應(yīng)用極其廣泛，在風(fēng)機(jī)、泵機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)械工具、家用電器、電動(dòng)汽車、暖通設(shè)備、電動(dòng)工具和自動(dòng)化機(jī)器人等領(lǐng)域都能見(jiàn)到電機(jī)的身影。

電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

電機(jī)系統(tǒng)一直朝著高能效、高可靠、集成化、低成本、小型化、高兼容性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展。

能效提升是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。電機(jī)作為全球最主要的動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)，用電量驚人。國(guó)內(nèi)來(lái)看，2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)電機(jī)保有量約為24億千瓦，總耗電量約為3.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，當(dāng)年全社會(huì)總用電量為5.55萬(wàn)億千瓦時(shí)，電機(jī)耗電量占全國(guó)總用電量比例為65%。其中，工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)總耗電量為2.9萬(wàn)億千瓦時(shí)，占工業(yè)用電總量3.93萬(wàn)億千瓦時(shí)的比例為74%。2020年，我國(guó)電機(jī)裝機(jī)容量為25億千瓦，預(yù)計(jì)未來(lái)五年將新增8億千瓦的裝機(jī)容量。

如果電機(jī)能效整體提升1%，一年可節(jié)約數(shù)百億度電，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)一個(gè)中等城市年度用電總量，節(jié)能潛力巨大。

電機(jī)能效提升需要系統(tǒng)性解決方案。從電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，要降低損耗（銅耗、鐵耗和雜散損耗），改善散熱效果，優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)；從電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度來(lái)看，同樣也要降低損耗（選擇導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗小的驅(qū)動(dòng)器），優(yōu)化常用工況下的電流矢量與通過(guò)橋電路提高電機(jī)控制器輸入電壓利用率，提高電機(jī)輸入電壓值，這樣在恒功率區(qū)域總的電流值就會(huì)減小，因此可以減小損耗和漏磁；從系統(tǒng)的角度來(lái)看，采用更好的控制策略，實(shí)現(xiàn)更精確的位置控制與電流控制，也能有效降低損耗，提高能效。

在車載電機(jī)發(fā)展上，集成化趨勢(shì)明顯。集成化使得電機(jī)系統(tǒng)的小型輕量化、低成本與高效率的最快實(shí)現(xiàn)成為可能。通常驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化包括兩大類，即機(jī)電集成與電力電子集成。機(jī)電集成主要包括電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)總成或電機(jī)與變速箱的集成，其特點(diǎn)是通過(guò)高效/高速電機(jī)與高效傳動(dòng)的集成，以提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、功率密度，以降低成本。電力電子集成方面，主要基于IGBT/SiC器件、電容、高效散熱技術(shù)（如雙面冷卻）的高功率密度電力電子集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)車載電力電子系統(tǒng)的功率密度倍增，降低成本；電機(jī)控制器與車載充電機(jī)有機(jī)拓補(bǔ)集成，可實(shí)現(xiàn)大功率快速充電。同時(shí)，以數(shù)字控制為基礎(chǔ)，功能安全設(shè)計(jì)為目標(biāo)、電磁兼容為約束的高可靠性、多拓補(bǔ)組合的車載電力電子集成技術(shù)，向著滿足ISO26262的汽車工業(yè)產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。

家電用的中小微型電機(jī)，其發(fā)展趨勢(shì)為變頻與直流化、模塊化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)，以及降低噪音。

變頻與直流化設(shè)計(jì)，對(duì)于提升家電能效起到關(guān)鍵性作用，此處不再贅述。家電應(yīng)用中，電機(jī)模塊化供貨也將成為趨勢(shì)，例如電機(jī)與風(fēng)機(jī)的模塊化、電機(jī)與傳動(dòng)裝置的模塊化、電機(jī)與智能控制的模塊化等。電機(jī)模塊化可以精簡(jiǎn)零部件，組成獨(dú)立單元提供給上一層系統(tǒng)，加快整機(jī)開(kāi)發(fā)流程，便于客戶的智能化組裝。

家電應(yīng)用中，降低電機(jī)噪音是開(kāi)發(fā)面臨的一大挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段噪音在家電產(chǎn)品被投訴問(wèn)題里非常突出，降低噪音是復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，這就要求家電用電機(jī)產(chǎn)品在研發(fā)時(shí)全程關(guān)注噪音設(shè)計(jì)，從初始設(shè)計(jì)階段就要考慮如何控制電機(jī)噪音。

可靠性則是工業(yè)及汽車用電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電機(jī)作為各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，一臺(tái)大型設(shè)備或一條生產(chǎn)線往往需要幾十臺(tái)、甚至數(shù)百臺(tái)的驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)，哪怕只有其中一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整套設(shè)備、系統(tǒng)或生產(chǎn)線故障；而現(xiàn)代化大生產(chǎn)特別強(qiáng)調(diào)連續(xù)性，要求成套設(shè)備可靠，不間斷地運(yùn)行，由于設(shè)備運(yùn)行的中斷，哪怕僅僅幾小時(shí)，其損失就可高達(dá)幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)甚至更多，嚴(yán)重的可能造成成套設(shè)備的報(bào)廢。因此，與之配套的電動(dòng)機(jī)安全可靠地連續(xù)運(yùn)行，顯得至關(guān)緊要。

電機(jī)系統(tǒng)可靠性的內(nèi)涵不僅包含電機(jī)系統(tǒng)的高品質(zhì)設(shè)計(jì)和制造，也包括其容錯(cuò)能力和冗余設(shè)計(jì)。而運(yùn)行狀況監(jiān)控與自我調(diào)整可以在系統(tǒng)層面上增加可靠性。

在電機(jī)運(yùn)行中，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以及端蓋、軸承、風(fēng)扇等輔件，都有可能出現(xiàn)問(wèn)題，有些是制造過(guò)程中的工藝不當(dāng)或設(shè)計(jì)不當(dāng)，有些是使用過(guò)程中的勞損或使用不當(dāng)，這些問(wèn)題都會(huì)造成各類的異?，F(xiàn)象，綜合起來(lái)有以下幾類現(xiàn)象：溫度異常、振動(dòng)噪聲異常、電參數(shù)異常等。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和分析，既可以增加電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性與安全性，也可將故障與意外狀況反饋給電機(jī)開(kāi)發(fā)人員，幫助開(kāi)發(fā)人員在下一代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中回避已知問(wèn)題。

除上述熱點(diǎn)之外，控制精度、響應(yīng)速度和智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理等也都是當(dāng)前電機(jī)技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向。

電機(jī)控制的創(chuàng)新看芯片

電機(jī)用途廣泛、種類繁多，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制芯片的型號(hào)更數(shù)不勝數(shù)，從功能上來(lái)劃分，電機(jī)控制板用到的芯片主要包含如下幾類：控制器（MCU/DSP/FPGA）、驅(qū)動(dòng)器（MOSFET、IGBT或SiC等寬禁帶半導(dǎo)體器件）、傳感器（霍爾器件）、信號(hào)調(diào)理芯片、電源芯片，以及通信接口等。

電機(jī)控制的創(chuàng)新離不開(kāi)芯片。以提高電機(jī)效率為例，既可以選擇低損耗器件，比如更高功率密度碳的碳化硅或氮化鎵驅(qū)動(dòng)器，又可以通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制、快速響應(yīng)，從而提高電機(jī)效率，乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率。

提高集成度則更離不開(kāi)芯片。傳統(tǒng)電機(jī)控制鏈路為MCU+預(yù)驅(qū)動(dòng)（Pre-Driver）+驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在有方案將預(yù)驅(qū)動(dòng)和MCU集成在一起，也有方案將預(yù)驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)集成在一起，在塑封電機(jī)等小功率應(yīng)用中，還出現(xiàn)了鏈路全集成的解決方案。這些高集成度控制板解決方案，有助于縮小電機(jī)體積，增強(qiáng)散熱能力，增加電機(jī)壽命與可靠性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的算法也不簡(jiǎn)單。電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止都要考慮很多因素，而不同的溫度、電阻、磁場(chǎng)變化都會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行，開(kāi)發(fā)出一套適合特定應(yīng)用場(chǎng)景的算法是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要長(zhǎng)期、反復(fù)的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證與測(cè)試，需要芯片公司與電機(jī)廠商密切合作，才能持續(xù)迭代完善。

當(dāng)前，中高端電機(jī)芯片市場(chǎng)仍被國(guó)外廠商主導(dǎo)。代表性企業(yè)有意法半導(dǎo)體（ST）、亞德諾（ADI）、德州儀器（TI）、英飛凌（Infineon）、恩智浦、瑞薩電子、東芝、安森美等廠商，都有從控制器到功率器件的完整解決方案，尤其是前面四家，電機(jī)方案非常豐富。

國(guó)內(nèi)廠商則以單點(diǎn)解決方案為主，例如兆易創(chuàng)新、華大半導(dǎo)體、國(guó)民技術(shù)的MCU，晶豐明源、斯達(dá)半導(dǎo)體、數(shù)明半導(dǎo)體的功率器件，當(dāng)然也有峰岹科技這樣專門定位在電機(jī)領(lǐng)域的芯片公司，經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展，從MCU到驅(qū)動(dòng)已經(jīng)都提供。已經(jīng)有越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)芯片公司注意到電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制的市場(chǎng)。