伴隨鋰電無繩技術(shù)的發(fā)展和智能制造的推廣，人們對于電動工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求不斷提高。10位電動工具行業(yè)資深專家共同探討促進(jìn)電動工具控制器技術(shù)創(chuàng)新和升級的新方向。

編者按：

電動工具控制器是一種用于控制電動工具的設(shè)備，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓、電流和頻率等參數(shù)來控制電動工具的轉(zhuǎn)速和功率。隨著電動工具在工業(yè)和家庭使用中的普及，電動工具控制器也變得越來越重要。同時伴隨鋰電無繩技術(shù)的發(fā)展和智能制造的推廣，人們對于電動工具控制器的性能、安全性和可靠性等方面的要求也將不斷提高，這將促進(jìn)電動工具控制器技術(shù)的創(chuàng)新和升級。

本期《智能控制器》對話欄目聚焦電動工具控制器話題，同時邀請到多位電動工具行業(yè)的資深工程師和專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行深度對話，進(jìn)一步探討目前電動工具控制器的新需求、技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用以及未來發(fā)展趨勢等。話題內(nèi)容涉及電動工具控制器內(nèi)半導(dǎo)體核心器件的安全性和可靠性等方面、電源管理技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用以及目前半導(dǎo)體器件在實際使用中遇到的問題，等等。

對話導(dǎo)覽：

1.鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術(shù)備受關(guān)注。據(jù)您了解，電源管理技術(shù)在電動工具控制器內(nèi)可以有哪些創(chuàng)新應(yīng)用?

2.同時在電機(jī)控制技術(shù)方面，您認(rèn)為如何有效保障電動工具控制器在執(zhí)行時達(dá)到更加穩(wěn)定、高效和安全的狀態(tài)?

3.據(jù)您了解，隨著電動工具市場增長以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的電動工具控制器在智能化、穩(wěn)定性和耐用性等方面對半導(dǎo)體核心器件提出了哪些新要求?

4.在實際應(yīng)用過程中，您認(rèn)為半導(dǎo)體器件還存在哪些問題不能滿足目前電動工具控制器的市場需求?

5.在實際應(yīng)用過程中，下游整機(jī)工程師認(rèn)為目前半導(dǎo)體器件成本較高。談?wù)勝F公司如何保證產(chǎn)品在性能價格比上的優(yōu)勢?

6.鋰電無繩化已成電動工具發(fā)展的主流趨勢。整體來說，您認(rèn)為近幾年電動工具控制器將會呈現(xiàn)出怎樣的發(fā)展態(tài)勢(包括創(chuàng)新技術(shù)、應(yīng)用場景和市場增長等)?

對話嘉賓：

1.鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術(shù)備受關(guān)注。據(jù)您了解，電源管理技術(shù)在電動工具控制器內(nèi)可以有哪些創(chuàng)新應(yīng)用?

東成電動工具王浩東：電源管理技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用有超級快充、無線充電，然后是高功率充電，像快充技術(shù)就會運(yùn)用在一些功率較大的角磨機(jī)、電錘等類型的電動工具。目前主要在做研究。

寶時得陳乃富：鋰電應(yīng)用，其實主要對安全性方面有很大要求。萬一發(fā)生了一些故障，就需要及時地保護(hù)。快充方面會有一些比較先進(jìn)的氮化鎵材料應(yīng)用。

Power Integrations Chris Lee：在今天這個事事求快的科技社會，快充在手機(jī)、平板、筆記本上早就廣為接受甚至成為基本要求。我們都知道新能源汽車也不可避免的在快充的方向一直突破來縮短充電時間，所以電動工具的充電也絕對不會缺席。因為電池的創(chuàng)新突破，在同樣體積下能有更高能量的電池是大勢所趨，而電池包的功率提升帶動了電池充電管理技術(shù)必須提供更可靠的管理。對于電池的保護(hù)，快速充電放電的曲線優(yōu)化，都有更嚴(yán)苛的要求。

鎵未來張大江：電動工具無繩化需要的基礎(chǔ)主要有兩個，一個是電池快充，另一個是可拆卸電池。因此現(xiàn)在有電動工具廠商推出標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊和儲能包的概念。儲能設(shè)備支持多個電池模塊同時充電，電池模塊拆卸下來即可給同品牌多種電動工具供電，在不用電動工具的時候，儲能設(shè)備也能作為一個標(biāo)準(zhǔn)的便攜儲能產(chǎn)品使用。這種模式下，儲能設(shè)備的雙向轉(zhuǎn)換電源模塊通常能提供千瓦級甚至高達(dá)3.6kW的充電功率，一小時即可充滿8套電池包，平均下來單個電池的充電時間不到8分鐘，完全能滿足電動工具高強(qiáng)度的使用要求。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：在鋰電無繩化趨勢下，電動工具的快充技術(shù)備受關(guān)注。在電動工具控制器內(nèi)，電源管理技術(shù)可以有以下創(chuàng)新應(yīng)用：

1)快充管理技術(shù)：快充管理技術(shù)可以通過優(yōu)化電池充電電流和充電時間等參數(shù)，實現(xiàn)快速充電，縮短充電時間，提高工作效率。

2)電池保護(hù)技術(shù)：電池保護(hù)技術(shù)可以通過控制電池充電和放電狀態(tài)，避免電池過充、過放和過熱等問題，延長電池壽命，提高電池安全性和可靠性。

3)電能回收技術(shù)：電能回收技術(shù)可以通過回收電動工具在減速、剎車等情況下產(chǎn)生的能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并存儲在電池中，提高電池的使用壽命和電動工具的效率。

4)智能管理技術(shù)：智能管理技術(shù)可以通過傳感器和智能算法等手段，實現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)測、電池容量預(yù)測、電池壽命評估等功能，提高電池的使用效率和可靠性。

5)無線充電技術(shù)：無線充電技術(shù)可以通過電磁感應(yīng)和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，實現(xiàn)電動工具的無線充電，提高電動工具的便攜性和易用性。

2.同時在電機(jī)控制技術(shù)方面，您認(rèn)為如何有效保障電動工具控制器在執(zhí)行時達(dá)到更加穩(wěn)定、高效和安全的狀態(tài)?

東成電動工具王浩東：首先是硬件的散熱性能要好。其次，功率模塊的硬件參數(shù)以及布局設(shè)計都會影響到電動工具使用的穩(wěn)定性。特別是在安全方面，電流的檢測靈敏度可以做到更多。

博世電動工具張躍棟：我認(rèn)為無霍爾的方案可能會慢慢變多。因為這方面電動工具市場首先成本會降低，而且會少用多器件，但是可能軟件上控制算法會復(fù)雜一點。

恒友機(jī)電章建俊：電機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很多年，是相對比較成熟的領(lǐng)域，目前也基本能符合電動工具市場需求。雖然每個控制算法有很多不一樣的點，但都是細(xì)節(jié)上的實現(xiàn)相異，導(dǎo)致最后表現(xiàn)出來的效果是不同的。目前創(chuàng)新的算法應(yīng)用，就包括一些電流限制、啟動限制等等。

Power Integrations Chris Lee：在電池能效的持續(xù)進(jìn)步推動下，電動工具市場最明顯的發(fā)展方向就是朝更大功率的電池以及充電器上來突破。半導(dǎo)體的核心器件主要就是在電池與充電器保護(hù)的前提下，能提供更好，更穩(wěn)定，更有效率的進(jìn)行充電。這些要求都直接或者間接的影響了在這些半導(dǎo)體器件上的耐壓，開關(guān)損耗，提高了要求。更高的耐壓來確保電動工具的充電在任何場合都能穩(wěn)定高效，更低的開關(guān)損耗則對于效率提升，溫度控制都能更好的延長使用壽命。這些都是目前看到最直觀的需求。

鎵未來張大江：在電機(jī)控制方面，隨著電動工具功率等級提高，電池包電壓提高以及工作頻率的提高，核心MOSFET器件反向恢復(fù)電荷帶來的損耗更加明顯。國際頭部的MOSFET制造商也發(fā)明了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)來提高反向恢復(fù)速度和降低反向恢復(fù)電荷來改善效率，降低控制器發(fā)熱;也有一些企業(yè)嘗試用GaN器件來實現(xiàn)電機(jī)的高頻控制，徹底解決反向恢復(fù)損耗的問題。我認(rèn)為電池電壓在72V以上的應(yīng)用場景，GaN器件會有一些優(yōu)勢。

靈動股份官兵：靈動股份在電動工具市場提供電動工具專用板和對應(yīng)算法程序，為保障電動工具穩(wěn)定、高效、安全的運(yùn)行。靈動股份提供高階算法有：

1)啟動前，電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測精度可達(dá)±7.5°;

2)開環(huán)拖動中，插入轉(zhuǎn)子實時位置檢測，提高啟動可靠性;

3)運(yùn)行中，根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速，動態(tài)調(diào)整補(bǔ)償角，提高電機(jī)運(yùn)行效率;

4)在常規(guī)的六步兩兩換相中插入重疊換相，可進(jìn)一步提升電機(jī)輸出能力;

5)精準(zhǔn)的限電流控制，避免過載;且內(nèi)建比較器監(jiān)測母線電流，異常情況下，在μs級別的時間關(guān)閉輸出。

目前已經(jīng)支持多個電動工具市場客戶量產(chǎn)，方案通過客戶測試并得到客戶高度認(rèn)可。

3.據(jù)您了解，隨著電動工具市場增長以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的電動工具控制器在智能化、穩(wěn)定性和安全性等方面對半導(dǎo)體核心器件提出了哪些新要求?

寶時得陳乃富：普通的電動工具沒有需要進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)，但像智能割草機(jī)這類的園林工具可能會有自動化、智能化的要求，比如支持藍(lán)牙、 Wi-Fi通訊功能等。

百得(蘇州)科技王鵬程：可能一些戶外電動工具會對自動化、智能化也有這方面的需求。穩(wěn)定性、安全性上，電功工具市場應(yīng)用肯定是要求更好。我們一開始在選型的時候，就會對功率器件的性能及溫升進(jìn)行測試。達(dá)到相應(yīng)的要求，才能保證電動工具產(chǎn)品在運(yùn)行過程中不會失效。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：當(dāng)前的電動工具控制器對半導(dǎo)體核心器件提出了以下新要求：

1)智能化要求：電動工具控制器需要具備智能化的能力，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)與云端的通信和數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和維護(hù)等功能。此外，控制器還需要具備較高的計算能力和智能算法，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)控制和優(yōu)化控制等功能，提高電動工具的效率。

2)穩(wěn)定性要求：電動工具控制器需要具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在不同工作環(huán)境下保持良好的性能，確保電動工具能夠安全、穩(wěn)定地工作。此外，控制器還需要具備抗干擾和抗電磁干擾的能力，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作。

3)耐用性要求：電動工具控制器需要具備較高的耐用性和可靠性，能夠長期穩(wěn)定地工作，承受長時間的高負(fù)載運(yùn)行和溫度變化等因素的影響。此外，控制器還需要具備較高的防護(hù)等級和耐腐蝕能力，確保在惡劣環(huán)境下正常工作。

4.在實際應(yīng)用過程中，您認(rèn)為半導(dǎo)體器件還存在哪些問題不能滿足目前電動工具控制器的市場需求?

東成電動工具王浩東：從應(yīng)用上來說，影響比較大的還是成本。不管是MCU還是功率器件，成本相對來說還是老大難問題。

博世電動工具張躍棟：傳統(tǒng)的電動工具應(yīng)該是都能滿足的，但還是希望國產(chǎn)的功率器件能夠做得越來越好一點，因為對于國外的大廠還是有不小的差距。

百得(蘇州)科技王鵬程：目前來講都還可以的。因為我們選用這些元器件，肯定要先看規(guī)格書。只要基本功能能滿足要求，我們才會選用它，否則也不會花精力去評估。而且現(xiàn)在整個電動工具行業(yè)對器件成本的要求還是挺高的。

5.在實際應(yīng)用過程中，下游整機(jī)工程師認(rèn)為目前半導(dǎo)體器件成本較高。談?wù)勝F公司如何保證產(chǎn)品在性能價格比上的優(yōu)勢?

靈動股份官兵：靈動股份在2021年開始量產(chǎn)12寸晶圓產(chǎn)品，保障供貨同時降低芯片成本，并且正對電機(jī)細(xì)分市場應(yīng)用，定制專用芯片。借助大比特平臺，靈動4月份發(fā)布了MM32SPIN0230系列電機(jī)專用產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了具有靈動特色的電機(jī)控制功能：高階4路互補(bǔ)PWM、注入功能的高精度ADC、軌到軌運(yùn)放、輪詢比較器、32位針對霍爾傳感器的捕獲時鐘、以及硬件除法器和DMA等電機(jī)算法加速引擎;同時發(fā)布的兩款SoC產(chǎn)品，MM32SPIN030C和MM32SPIN080C內(nèi)部更是集成了PN預(yù)驅(qū)、NN預(yù)驅(qū)、LDO等，使得應(yīng)用者可以大幅度精簡板級器件。

凌鷗創(chuàng)芯黃致愷：優(yōu)化設(shè)計方面，我們通過精細(xì)化設(shè)計和仿真分析等手段，優(yōu)化電動工具控制器的電路設(shè)計，確保產(chǎn)品在穩(wěn)定性、性能、可靠性等方面達(dá)到最佳狀態(tài)，同時降低成本。采用新型器件方面，我們積極引進(jìn)新型半導(dǎo)體器件，并通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化等手段，降低成本，并提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

高效供應(yīng)鏈管理方面，我們建立了高效的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，與一流的半導(dǎo)體器件供應(yīng)商建立長期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，確保獲得高質(zhì)量的器件，同時降低采購成本。品質(zhì)保證方面，我們嚴(yán)格執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理體系，并建立了完善的質(zhì)量控制流程，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，同時最大限度降低不良率和成本。提供專業(yè)技術(shù)支持方面，我們提供專業(yè)的技術(shù)支持和售后服務(wù)，幫助用戶解決技術(shù)難題，提高產(chǎn)品性能，提高客戶滿意度，從而實現(xiàn)產(chǎn)品性能價格比的優(yōu)勢。

Power Integrations Chris Lee：成本一直是一個無止境的突破目標(biāo)。一個物件的成本主要由兩部分結(jié)構(gòu)組成：材料成本和生產(chǎn)成本。這里面就經(jīng)常有個盲點，認(rèn)為器件成本偏高造成整體成本的居高不下，其實生產(chǎn)成本經(jīng)常被忽略了。如果器件成本提高了3%，然而能簡化生產(chǎn)流程，讓已經(jīng)投資的產(chǎn)能利用率提高了5%，這里面的整體物件最終成本，反而優(yōu)化了。Power Integrations的InnoSwitch以及功率校正PFS5，半橋諧振LCS2-HB的整合方案，將設(shè)計極度簡化，外圍器件高度精簡，在整機(jī)設(shè)計上一次次突破最高整合的可能性從而大幅優(yōu)化了生產(chǎn)流程，減少元器件的使用，在整體成本的優(yōu)化前提下，更直接提升了設(shè)計的穩(wěn)定度以及可靠度，這是PI特有的方案處理優(yōu)勢。

6.鋰電無繩化已成電動工具發(fā)展的主流趨勢。整體來說，您認(rèn)為近幾年電動工具控制器將會呈現(xiàn)出怎樣的發(fā)展態(tài)勢(包括創(chuàng)新技術(shù)、應(yīng)用場景和市場增長等)?

百得(蘇州)科技王鵬程：目前電動工具市場向鋰電無繩化，或者是輕便化、小型化的方向去發(fā)展，對一些控制技術(shù)的集成化程度會要求更高，芯片可能要越來越小。

恒友機(jī)電章建俊：電動工具控制器要往智能化方向發(fā)展。MCU倒不需要優(yōu)化性能，只需要跟其他智能化的芯片進(jìn)行交互，有可能在基礎(chǔ)性的板子上增加一些智能化的小芯片，具備藍(lán)牙、Wi-Fi、傳感器之類的應(yīng)用。但這種還是用在一些偏體驗感受上的電功工具比較多。比如某個電動工具性能已經(jīng)滿足需求，但在使用的振動檔上可能手感上想要有提升或調(diào)節(jié)。

博世電動工具張躍棟：電動工具控制器未來肯定是越來越小型化，集成化。除非成本差異巨大，但是科技還是會一步一步升級下去。

Power Integrations Chris Lee：無繩電動工具舍棄了電力線，采取電池包供電，具備顯著的安全優(yōu)勢和便利優(yōu)勢。由于瞬時充放電需求，工具用電池的優(yōu)化方向是高倍率性能的進(jìn)一步提升，未來電池容量將持續(xù)提高。技術(shù)布局將在材料端以及工藝端繼續(xù)推進(jìn)優(yōu)化。電功工具市場未來的發(fā)展趨勢將會由無繩的便捷性，提升到“無線”的便利性。無繩使用，無線充電提供了更高的便捷使用與待機(jī)充電的最終方案。這里面的技術(shù)突破點就是無線充電效率的提高，電動工具不比手機(jī)，需要大電流高電壓的充放電，無線充電的效率提升必須滿足安全、低溫、穩(wěn)定、長效的基本要求，所以應(yīng)用第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵將會成為一個重要的發(fā)展方向。

結(jié)語：

在電動工具市場應(yīng)用中，半導(dǎo)體核心器件的穩(wěn)定性、可靠性和安全性等要求是電動工具控制器廠商在器件選型時必不可少的標(biāo)準(zhǔn)。無論是MCU，還是功率器件，其成本的降低將在同類型的器件應(yīng)用中占據(jù)市場優(yōu)勢。倘若氮化鎵等材料在半導(dǎo)體器件中的普遍應(yīng)用，將會大大提高電動工具控制器的功率轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到更加高效、節(jié)能的目的。

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，電動工具控制器也將越來越智能化，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。同時電動工具鋰電無繩化趨勢的深入發(fā)展和第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，也會促進(jìn)電動工具控制器電源管理技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的雙重創(chuàng)新和升級，而且電動工具控制器未來肯定也會更加小型化、集成化。

【企業(yè)簡介】

博世電動工具：是全球知名的電動工具及附件生產(chǎn)商，其產(chǎn)品在品質(zhì)、技術(shù)革新及售后服務(wù)方面一直保持高標(biāo)準(zhǔn)。

寶時得：始創(chuàng)于1994年，是一家集創(chuàng)新工具和機(jī)器人研發(fā)、制造、營銷于一體，擁有國際高端品牌的跨國集團(tuán);在電動工具領(lǐng)域創(chuàng)造了十多個世界第一的領(lǐng)先技術(shù)，專利申請量位居行業(yè)前列。

百得(蘇州)科技：是美國百得集團(tuán)在華獨(dú)資公司。主要經(jīng)營：研發(fā)、設(shè)計、制造、生產(chǎn)電動工具及附件、配件家用器具、維修部件、五金及鉛類產(chǎn)品并銷售本公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品，提供產(chǎn)品的維修服務(wù)。

恒友機(jī)電：成立于1988年，是優(yōu)秀的專業(yè)油動/電動工具制造商和領(lǐng)跑者，一直致力于研發(fā)高性能、高效率、高穩(wěn)定性的更節(jié)能、更環(huán)保的工具和機(jī)械。

東成電動工具：始創(chuàng)于1995年，是國內(nèi)專業(yè)電動工具制造重點骨干企業(yè)之一，為中國電器工業(yè)協(xié)會電動工具分會副理事長單位。

Power Integrations：深耕于高壓集成電路高能效功率變換領(lǐng)域的知名公司，總部位于美國。

鎵未來：行業(yè)領(lǐng)先的高壓氮化鎵功率器件高新技術(shù)企業(yè)，致力于第三代半導(dǎo)體硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 研發(fā)與制造。

靈動股份：成立于 2011年，是中國本土通用32位MCU產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商。

凌鷗創(chuàng)芯：一家專注于運(yùn)動控制領(lǐng)域集成電路及總體解決方案設(shè)計的國家高新技術(shù)企業(yè)。

領(lǐng)芯微：是專業(yè)從事集成電路芯片研發(fā)、設(shè)計、銷售的國家高新技術(shù)企業(yè)。

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審核編輯黃宇