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白家电设计更节能?电机驱动及控制方案有解

关键词:电机驱动 节能 电机控制

时间:2017-08-11 12:52:07      来源:网络

  近年来,各国政府为倡导节能环保而纷纷出台新的家电能效标准,当下消费者在购买家电时,除了考虑价格因素,也会将产品是否省电作为一个重要的参考因素。在产品日趋同质化、竞争越来越激烈的白家电市场,家电企业要想立于不败之地,产品达到更高能效将是重要卖点。

  电机是家电的核心组成部分:其中高档电冰箱中使用的电机达5个或更多,用于阻尼器、风扇、制冰机、压缩机、气流调节及冷却流泵等;空调室内机通常使用2个电机用于风扇和百叶窗,室外机通常使用3个电机用于压缩机、风扇及阀;洗衣机要求采用电机来驱动筒、水泵以及各种泵;烘干机需要电机来驱动筒及鼓风机。因此,在设计中采用高能效的电源转换及电机驱动/控制方案是设计出高能效家电产品的关键。本文将介绍安森美半导体几款典型应用于白家电产品的电机驱动及控制方案。

  家电应用要求及设计挑战

  1.减小体积

  消费者越来越青睐体积小巧的电冰箱的趋势,导致工程师采用更小的电机以优化占

  用空间。

  2.降低能耗

  能耗问题是工程师们在家电应用设计中的一大共同挑战。例如,如果风扇驱动器的电路板内置,就会产生热量及并要求消耗额外的电能来把它冷却。因此,工程师可能会同时要求高能效及具强力冷却功能的电机。

  3.静音驱动

  实现静音驱动是工程师的一大目标,以减小家电产品中电机产生的恼人噪声,为消费者带来舒适宁静的使用体验。

  4.宽电压/电流范围

  家电中的不同电机应用对电压及电流范围有不同的要求。

  此外,由于家电要求采用高压电源来驱动,耐用性、安全性及可靠性也很重要。

  用于白家电的典型的电机驱动器方案

  安森美半导体是电机控制领域的关键供应商,提供宽广阵容的高能效电机驱动/控制方案,支持最高电压达600 V,最大电流达50 A,包括12 V无刷直流(BLDC)电机驱动器、24 V BLDC电机驱动器、3相BLDC电机驱动器控制器(驱动电压达240 V)及600 V或更高电压BLDC电机驱动器,帮助工程师能设计出更高能效、更安静工作、占位面积更少的方案用于对电机的电压范围及电流范围有不同要求的冰箱、空调、洗衣机及烘干机等白家电应用。

  

  图1. 用于白家电的电机驱动器/控制器电压/电流范围概览

  1. IPM及二合一IPM

  安森美半导体提供的3相电机控制的智能功率模块(IPM),如单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)、STK531U369A-E (10A) 和STK531U394A-E (15 A),以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A) 和 STK534U342C-E(5A),能满足高击穿电压、高能效及高可靠性的要求,是用于驱动电冰箱和空调压缩机、空调风扇电机及洗衣机筒驱动的理想选择。

  这些IPM使用安森美半导体独特的绝缘金属基板技术(IMST®),采用低热阻、高导热的绝缘材料将铜箔和金属基板即铝基板压合在一起,金属的高热传导率使功率输出电路、控制电路及模块外围电路能够贴装在同一基板上。此技术具有7大技术优势,包括:易于集成和减少元件数量以降低总成本、内置外围电路简化 PCB设计以缩短终端产品的设计时间、提供更灵敏更高精度的温度检测以实现更可靠的散热保护、噪声抑制、降低浪涌电压、提升能效和降低能耗,以及单列直插式 (SIP) 型封装优势。

  

  图2. 安森美半导体智能功率模块(IPM)采用IMST将多种元器件封装为模块

  因应减小尺寸并提升能效的趋势,安森美半导体IPM已发展至下一代高能效二合一IPM STK57F-3xx系列用于变频家电。该系列IPM将升压PFC转换器和3相变频器合二为一,不仅提供更高能效电路,还进一步减少元器件数量,节省 PCB占用空间,缩短开发时间,降低组装成本,加快上市进程。值得一提的是,IPM STK57FU391A-E获得今日电子与21ic.com联合举办的2014年度TOP-10电源产品奖中的“Top 10电源产品奖”及“技术突破奖”,并再获得EDN China《电子技术设计》2015年度创新奖中功率与驱动器件类最佳产品奖,彰显安森美半导体高能效创新的实力。

  
  图3. 安森美半导体用于变频空调的二合一IPM

  2. H桥电机驱动器

  安森美半导体的LB1948MC($0.9396)、LB1909MC($0.7290)、LV8548MC($0.4680)和LV8549MC($0.5040)用于驱动阻尼器(电冰箱及洗衣机、烘干机内)。这些器件提供高击穿电压、高能效、低待机电流、变速控制及易于设计等关键特性。其中,LB1948MC和LV8548MC还可用于驱动电冰箱自动制冰机电机。 LB1948MC是2通道、12 V低饱和电压驱动、正向/反向电机驱动器,采用强固的击穿设计,在待机模式下的电流消耗为零。LV8548MC是单低导通阻抗DMOS驱动器(导通阻抗仅为1 Ω),励磁模式包括满步及半步等,提供不同的步幅调节;待机模式下的电流消耗同样为零,提供低能耗工作。

  3. 无传感器型电机驱动器

  对于电冰箱而言,通过风机通风来排热是重要功能,要求电机驱动器具有安静驱动、高能效及变速控制等特性。安森美半导体提供应用于电冰箱通风的创新、高能效的三相驱动器,如LV8804FV($1.2555)、LV8805SV($1.1290)及LB11685AV($1.0150)等。这些驱动器能够提供低能耗及低振动的工作,它们不要求霍尔传感器,因而能够减小电机尺寸。软启动功能使它们能够稳定地安静启动。LV8804FV、LV8805SV集成的软开关功能实现极为安静的电机工作。此外,锁保护功能用于在电机异常停转时关闭输出,因而保护驱动器。

  4. 预驱动器IC + 混合IC

  空调室内机和室外机都会用到直流风扇,需要驱动3相BLDC风扇电机。风扇电机的驱动电压可达250 V,设计要求采用600 V器件,以确保足够强固,能够处理噪声尖峰问题。其中,室内机使用1.0 A的风扇。较大的分体式空调则使用2.0 A风扇。室外机使用3.0 A的风扇。

  安森美半导体为直流风扇电机提供由LV8136V($2.4576)预驱动器IC和STK611-7xx或STK5C4($9.8050)系列三相风扇电机混合集成电路(HIC)构成的驱动方案。此方案提供高压、大电流(1 A/2 A/3 A)驱动,能效高,工作安静,元器件数量少,集成多种保护特性,提供更高可靠性。省电模式还使待机电流几乎为零。

  由于洗衣及烘干机中的鼓风机跟空调应用类似,也可采用LV8136V以提供优化的能效及低噪声。

  5.直接PWM控制三相BLDC电机驱动器

  安森美半导体的LB11920($3.7700)和LB1975($4.8870)采用直接PWM控制,用于要求高能效及变速驱动的洗衣机供水及排水泵的三相BLDC电机驱动应用。这些器件的PWM占空比能够采用IC输入来控制,适合从9.5 V至30 V的宽工作电压范围。

  结语:

  高能效是符合各项环保法规及能效标准的关键,也是白家电应用的趋势。针对具体应用采用安森美半导体一系列高能效电机驱动/控制方案(图4),可设计出满足更小体积、更低能耗、更安静工作的赢取市场的节能型白家电。

  

  图4. 安森美半导体应用于白家电的高能效电机驱动方案概览

 

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