應(yīng)用于家電的安森美半導(dǎo)體高能效電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

隨著能源成本上升及消費(fèi)者對(duì)家電節(jié)能意識(shí)增強(qiáng)，世界各國(guó)政府紛紛出臺(tái)更加嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)或高能效激勵(lì)措施以提升白家電能效。如美國(guó)能源部建議實(shí)施新的能效標(biāo)準(zhǔn)以減少電冰箱、空調(diào)和洗衣機(jī)的能源使用，某些情況下強(qiáng)制要求能效提升多達(dá)35%。日本的能效“領(lǐng)跑者”(Top Runner)項(xiàng)目自實(shí)施以來(lái)，也大幅提升了空調(diào)及電冰箱的能效要求。

家電中通常要使用多種不同的電機(jī)來(lái)控制不同功能。電機(jī)包括交流(AC)電機(jī)和直流(DC)電機(jī)。其中DC電機(jī)包括有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)。BLDC電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，具有顯著的節(jié)能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性，廣泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)及洗衣機(jī)等家電應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員要設(shè)計(jì)高能效的家電產(chǎn)品，就需要在設(shè)計(jì)中選擇高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制方案。安森美半導(dǎo)體積推動(dòng)高能效創(chuàng)新，提供寬廣陣容的產(chǎn)品及方案。本文將分析家電中的電機(jī)應(yīng)用，并介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于典型家電產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制方案。

家電應(yīng)用要求及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

針對(duì)家電中的不同電機(jī)應(yīng)用對(duì)電壓及電流范圍的不同要求，安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的高能效電機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制方案，支持最高電壓達(dá)600 V，最大電流達(dá)50 A。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括4種，分別是12 V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、24 V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、3相 BLDC驅(qū)動(dòng)器控制器(驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

除了要匹配不同的電壓/電流要求，工程師在家電應(yīng)用設(shè)計(jì)的另一共同挑戰(zhàn)是能耗問(wèn)題。例如，如果風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器的電路板內(nèi)置，就會(huì)產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來(lái)把它冷卻。因此，工程師可能會(huì)同時(shí)要求高能效及具強(qiáng)力冷卻功能的電機(jī)。

圖1：用于家電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器/控制器電壓/電流范圍概覽。

此外，用戶要求家電產(chǎn)品減小電機(jī)產(chǎn)生的惱人噪聲，希望有舒適寧請(qǐng)靜的使用體驗(yàn)。因此，工程師要選擇產(chǎn)生更低噪聲的電機(jī)。有些家電如電冰箱，由于用戶的居住空間有限，他們會(huì)青睞體積小巧的電冰箱。這趨勢(shì)導(dǎo)致工程師采用更小的電機(jī)以優(yōu)化占用空間。由于家電要求采用高壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，耐用性、安全性及可靠性很重要。

用于典型家電應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案

1. 電冰箱

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高檔電冰箱中使用的電機(jī)最多，可能達(dá)5個(gè)或更多，典型應(yīng)用包括阻尼器、風(fēng)扇、制冰機(jī)、壓縮機(jī)、氣流調(diào)節(jié)及冷卻流泵等。最基礎(chǔ)功能的電冰箱也有壓縮電機(jī)和冷卻流泵。較高端的產(chǎn)品使用風(fēng)扇及阻尼器，利用電機(jī)進(jìn)行氣流調(diào)節(jié)。制冰機(jī)可能使用2個(gè)電機(jī)，一個(gè)用于出冰，另一個(gè)用于清空制冰托盤。

圖2. 電冰箱中的電機(jī)應(yīng)用

1) 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)

所有的電冰箱都有壓縮機(jī)。最新的壓縮機(jī)使用工作電壓為600 V的BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)，要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有高擊穿電壓、高能效及高可靠性。針對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，建議使用安森美半導(dǎo)體用于3相電機(jī)控制的智能功率模塊(IPM)，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A到10 A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A至10A)。

這些IPM使用安森美半導(dǎo)體獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST®)，在鋁板也就是在金屬基板上搭建電子電路，使多種元件能夠封裝在同一個(gè)模塊IC中，包括電阻和電容等分立無(wú)源元件、二極管和晶體管等分立有源元件，以及更復(fù)雜的IC或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)，如門極驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、邏輯元件等。IMST也能使功率輸出電路、控制電路及其外圍電路貼裝在相同基板上。這些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件實(shí)現(xiàn)的大電流設(shè)計(jì)相比，能幫助大幅減少元件數(shù)量，減小電路板占用空間，降低系統(tǒng)總成本，減少散熱及提升可靠性。

圖3：安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)采用IMST將多種元器件封裝為模塊。

2) 自動(dòng)制冰機(jī)驅(qū)動(dòng)

電冰箱自動(dòng)制冰機(jī)使用有刷電機(jī)，一項(xiàng)功能是開(kāi)啟和關(guān)閉用于填充托盤的供應(yīng)閥，另一項(xiàng)功能是一旦水結(jié)冰就翻轉(zhuǎn)托盤。這兩個(gè)功能都可以使用H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體提供用于自動(dòng)制冰機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的器件包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效和變速控制等關(guān)鍵特性。其中，LB1948M是2通道、12 V低飽和電壓驅(qū)動(dòng)、正向/反向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用強(qiáng)固的擊穿設(shè)計(jì)，在待機(jī)模式下的電流消耗為零。LV8548M是單低導(dǎo)通阻抗DMOS驅(qū)動(dòng)器，勵(lì)磁模式包括滿步及半步等，提供不同的步幅調(diào)節(jié);這器件的導(dǎo)通阻抗僅為1 Ω，幫助提升能效;待機(jī)模式下的電流消耗同樣為零，提供低能耗工作。

3) 通風(fēng)電機(jī)

對(duì)于電冰箱而言，通過(guò)風(fēng)機(jī)通風(fēng)來(lái)排熱是重要功能，要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有安靜驅(qū)動(dòng)、高能效及變速控制等特性。安森美半導(dǎo)體提供應(yīng)用于電冰箱通風(fēng)的創(chuàng)新、高能效的無(wú)傳感器型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器能夠提供低能耗及低振動(dòng)的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機(jī)尺寸。軟啟動(dòng)功能使它們能夠穩(wěn)定地安靜啟動(dòng)。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開(kāi)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)極為安靜的電機(jī)工作。此外，鎖保護(hù)功能用于在電機(jī)異常停轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉輸出，因而保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。

圖4：安森美半導(dǎo)體用于電冰箱的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其它產(chǎn)品陣容。

4) 阻尼器

阻尼器用于起緩沖作用，當(dāng)作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)很慢時(shí)，幾乎沒(méi)有阻力，而在作用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較快時(shí)阻力就明顯增大，廣泛用于電冰箱和洗衣機(jī)等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體用于電冰箱阻尼器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效、低待機(jī)電流及變速控制等關(guān)鍵特性。

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