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安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于家電的高能效電機(jī)驅(qū)動方案

文章來源：更新時間：2014/10/11 9:33:00

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隨著能源成本上升及消費(fèi)者對家電節(jié)能意識增強(qiáng)，世界各國政府紛紛出臺更加嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)或高能效激勵措施以提升白家電能效。如美國能源部建議實(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，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)計人員要設(shè)計高能效的家電產(chǎn)品，就需要在設(shè)計中選擇高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動/控制方案。安森美半導(dǎo)體積推動高能效創(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)動及控制方案。

家電應(yīng)用要求及設(shè)計挑戰(zhàn)
針對家電中的不同電機(jī)應(yīng)用對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/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)動器包括4種，分別是12 V BLDC電機(jī)驅(qū)動器、24 V BLDC電機(jī)驅(qū)動器、3相 BLDC驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達(dá)240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機(jī)驅(qū)動器。
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)計的另一共同挑戰(zhàn)是能耗問題。例如，如果風(fēng)扇驅(qū)動器的電路板內(nèi)置，就會產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來把它冷卻。因此，工程師可能會同時要求高能效及具強(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，他們會青睞體積小巧的電冰箱。這趨勢導(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驅(qū)動，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)動器方案
1. 電冰箱
據(jù)統(tǒng)計，高檔電冰箱中使用的電機(jī)最多，可能達(dá)5個或更多，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個電機(jī)，一個用于出冰，另一個用于清空制冰托盤。

圖2. 電冰箱中的電機(jī)應(yīng)用

1) 壓縮機(jī)驅(qū)動
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，要求電機(jī)驅(qū)動器具有高擊穿電壓、高能效及高可靠性。針對壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動應(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模塊IC中，包括電阻和電容等分立無源元件、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)動器、數(shù)字信號處理器(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) 自動制冰機(jī)驅(qū)動
電冰箱自動制冰機(jī)使用有刷電機(jī)，一項(xiàng)功能是開啟和關(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。這兩個功能都可以使用H橋電機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體提供用于自動制冰機(jī)電機(jī)驅(qū)動的器件包括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、正向/反向電機(jī)驅(qū)動器，采用強(qiáng)固的擊穿設(shè)計，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)動器，勵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)
對于電冰箱而言，通過風(fēng)機(jī)通風(fēng)來排熱是重要功能，要求電機(jī)驅(qū)動器具有安靜驅(qū)動、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、高能效的無傳感器型電機(jī)驅(qū)動器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驅(qū)動器。這些驅(qū)動器能夠提供低能耗及低振動的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機(jī)尺寸。軟啟動功能使它們能夠穩(wěn)定地安靜啟動。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開關(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)時關(guān)閉輸出，因而保護(hù)驅(qū)動器。

圖4：安森美半導(dǎo)體用于電冰箱的電機(jī)驅(qū)動及其它產(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)動很慢時，幾乎沒有阻力，而在作用點(diǎn)運(yùn)動較快時阻力就明顯增大，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。

2. 空調(diào)
常見的房間空調(diào)包括室內(nèi)機(jī)及室外機(jī)等不同組成部分。空調(diào)室內(nèi)機(jī)通常使用2個電機(jī)，其中1個用于風(fēng)扇，另一個用于百葉窗，以控制房間內(nèi)的氣流；室外機(jī)通常使用3個電機(jī)，用于壓縮機(jī)、風(fēng)扇及閥。更高端型號還有輔助風(fēng)扇。

1) 直流風(fēng)扇電機(jī)
室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)都會用到直流風(fēng)扇，需要驅(qū)動3相BLDC風(fēng)扇電機(jī)。風(fēng)扇電機(jī)的驅(qū)動電壓可達(dá)250 V，設(shè)計要求采用600 V器件，以確保足夠強(qiáng)固，能夠處理噪聲尖峰問題。其中，室內(nèi)機(jī)使用1.0 A的風(fēng)扇。較大的分體式空調(diào)則使用2.0 A風(fēng)扇。室外機(jī)使用3.0 A的風(fēng)扇。

圖5：空調(diào)中的電機(jī)應(yīng)用。
安森美半導(dǎo)體為直流風(fēng)扇電機(jī)提供由LV8136V預(yù)驅(qū)動器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相風(fēng)扇電機(jī)混合集成電路(HIC)構(gòu)成的驅(qū)動方案。此方案提供高壓、大電流(1A/2A/3A)驅(qū)動，能效高，工作安靜，元器件數(shù)量少，集成多種保護(hù)特性，提供更高可靠性。省電模式還使待機(jī)電流幾乎為零。

2) 用于壓縮電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)的IPM
安森美半導(dǎo)體為空調(diào)的壓縮電機(jī)及風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C47xxx系列的3相變頻器IPM，以及結(jié)合升壓功率因數(shù)校正(PFC)和3相變頻器的STK57F-3xx系列二合一IPM產(chǎn)品，提供多種應(yīng)用優(yōu)勢。以STK57F-3xx系列IPM產(chǎn)品為例，由于將PFC和3相變頻器合二為一，不僅提供高能效電路，還大幅減少元器件數(shù)量，節(jié)省PCB占用空間，縮短開發(fā)時間，降低組裝成本，加快上市進(jìn)程。

圖6. 安森美半導(dǎo)體用于空調(diào)的二合一變頻器智能功率模塊(IPM)。

3. 洗衣機(jī)及烘干機(jī)
洗衣機(jī)要求采用電機(jī)來驅(qū)動筒、水泵以及各種泵，烘干機(jī)需要電機(jī)來驅(qū)動筒及鼓風(fēng)機(jī)。

圖7. 洗衣機(jī)/烘干機(jī)中的電機(jī)應(yīng)用。

1) 筒驅(qū)動
在洗衣機(jī)內(nèi)部，筒驅(qū)動器是最大的電機(jī)，通常電流在10 A范圍。安森美半導(dǎo)體用于3相BLDC電機(jī)驅(qū)動器的IPM是用于筒驅(qū)動的最先進(jìn)產(chǎn)品系列，符合高能效、安靜驅(qū)動、極佳散熱、強(qiáng)固及可靠工作等要求。這些IPM包括單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A至10 A)以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A到10A)。

2) 供水及排水泵
供水及排水泵要求高能效及變速驅(qū)動等關(guān)鍵特性。安森美半導(dǎo)體的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于這類三相BLDC電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。這些器件的PWM占空比能夠采用IC輸入來控制，適合從9.5 V至30 V的寬工作電壓范圍。

3) 阻尼器
洗衣及烘干機(jī)應(yīng)用中，阻尼器上要有一個電機(jī)來控制烘干機(jī)的氣流。此阻尼器的關(guān)鍵要求跟電冰箱阻尼器相同，推薦使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效電機(jī)驅(qū)動器IC。以LB1948MC為例，這器件易于設(shè)計，待機(jī)電流幾乎為零。

4) 直流風(fēng)扇
洗衣及烘干機(jī)中的鼓風(fēng)機(jī)跟空調(diào)應(yīng)用類似，建議使用LV8136V。這是一款PWM系統(tǒng)預(yù)驅(qū)動器IC，用于驅(qū)動3相無刷直流電機(jī)。由于采用PWM驅(qū)動，這IC提供優(yōu)化的能效及低噪聲。

總結(jié)：
安森美半導(dǎo)體積極推動高能效創(chuàng)新，提供應(yīng)用于家電的完整方案，包括電源、電機(jī)驅(qū)動、用戶接口、通信、測量等。本文重點(diǎn)介紹了安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)、烘干及洗衣機(jī)等家電的電機(jī)驅(qū)動及控制器以及高集成度的智能功率模塊(IPM)方案，幫助設(shè)計人員針對具體應(yīng)用選擇適合的產(chǎn)品，設(shè)計出高能效、高可靠性及靜音工作的家電。

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