更嚴(yán)格的法規(guī)及日益增加的消費(fèi)者期望 對白家電行業(yè)提出電機(jī)驅(qū)動新挑戰(zhàn)

     白家電/家電制造商正經(jīng)歷艱難時期。他們不僅需要使他們的產(chǎn)品在一個極具競爭力性的市場對消費(fèi)者更有吸引 力，同時必須遵循越來越嚴(yán)格的環(huán)境準(zhǔn)則(如北美能源之星 和歐盟的92/75/EC)。正如我們將看到的，這一切都迫使他 們開發(fā)更緊湊、高能效的產(chǎn)品，運(yùn)行更安靜支持更長的使用 時間。下文著眼于在電機(jī)驅(qū)動器IC中承擔(dān)最新創(chuàng)新的元素和 白家電設(shè)計(jì)中的智能功率模塊(IPM)技術(shù)所提供。
在亞洲、非洲和南美迅速擴(kuò)張的人口及全球持續(xù)的經(jīng) 濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致全球總能耗日益攀升——國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù) 測全球能源需求從現(xiàn)在到2040年間將增加37%?；剂蟽?備日益減少、社會越來越重視的碳排放的生態(tài)影響，人們?nèi)?然沒有真正大規(guī)模的可再生能源。

1 當(dāng)前現(xiàn)狀
世界各國政府正強(qiáng)制執(zhí)行立法措施以節(jié)省能耗，應(yīng)對 能源成本上升、某些石油生產(chǎn)國政治上，不安定和對環(huán)境可 能 造 成 無 法 恢 復(fù)
的 。 美 國 能 源 部 (DoE) 于2 0 1 4 年9 月 制 定 標(biāo) 準(zhǔn) ， 以 提 升 冰 箱 和 冰 柜 的 能 效 ， 執(zhí) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 的 以 后 生 產(chǎn) 的 新 型 產(chǎn) 品 需 降 低2 0 % 的 能 耗 。 據(jù)

圖1  電機(jī)驅(qū)動器用途

圖2  白家電電機(jī)驅(qū)動器
估計(jì)，這將在接下來的30年節(jié)省約4.84 x 1015的英國熱單位 的累積能量(相當(dāng)于目前美國家庭制冷產(chǎn)品年消耗總能量的3 倍)。政府機(jī)構(gòu)現(xiàn)正進(jìn)一步針對房間空調(diào)和洗衣機(jī)的特別標(biāo) 準(zhǔn)，在某些情況下將要求提升35%的能效。日本，礦產(chǎn)等自 然能源匱乏，產(chǎn)能下降，正作出極大努力減少電力消耗。 自影響廣泛的日本領(lǐng)跑者計(jì)劃(不僅包括白家電，還包括爐 具、熱水器、電腦、空調(diào)、自動售貨機(jī)、辦公設(shè)備等)全面 啟動以來，通過督促制造商遵循其準(zhǔn)則和違反準(zhǔn)則的采取 “點(diǎn)名批評”的方式，已顯著提升能效。

2 消費(fèi)者壓力
從 消 費(fèi) 者 的 角 度 ， 有 許 多 屬 性 會 使 白 家 電 更 具 吸 引 力。制造商需要注意使產(chǎn)品與競爭對手的產(chǎn)品區(qū)別開來。這里最值得注意有幾點(diǎn)：
1. 消費(fèi)者購買家電時很精明。他們意識到盡管產(chǎn)品價 格可能有具吸引力的標(biāo)價，但其工作過程中的運(yùn)行成本可能 更高，從而很快消除任何價格優(yōu)勢。可實(shí)時顯示工作能效、 不會過多消耗電的家電產(chǎn)品，售價肯定略高。
2. 可靠的運(yùn)行基本上是給定的。如果一款產(chǎn)品無法可 靠的運(yùn)行，那么制造商是在砸其招牌。
3. 可以給最大化內(nèi)部尺寸消費(fèi)者提供更多的附加值。 有更多可用內(nèi)部存儲空間冰箱，或有更大負(fù)載容量的洗衣機(jī) 更有可能吸引消費(fèi)者。

圖3  展示在電冰箱內(nèi)使用基于IMST的IPM的電機(jī)控制電路圖    

圖4  使用基于IMST的IPM的洗衣機(jī)電機(jī)控制電路圖
4. 制造商正被迫推出可提供更好用戶體驗(yàn)的白家電設(shè)
計(jì)。例如，由壓縮機(jī)電機(jī)引起冰箱嗡嗡噪聲。一直令消費(fèi)者 煩惱，必須盡一切努力減少噪聲。

3 待克服的技術(shù)問題
消費(fèi)者和立法動態(tài)所推動，白家電設(shè)計(jì)正經(jīng)歷徹底改 變。過去的龐大設(shè)備需要由更時尚、更多可用空間的經(jīng)濟(jì)設(shè) 計(jì)取代。由于家電的緊湊度成為一個越來越重要的賣點(diǎn)，其 組件大小需要跟趨勢——特別是電機(jī)。

4 白家電中的電機(jī)類型及用途
電機(jī)(及壓縮機(jī)和風(fēng)扇)正被整合至現(xiàn)代廚房或雜物間的 各種硬件。根據(jù)應(yīng)用可使用各種不同的電機(jī)類型，如交流感 應(yīng)、有刷和無刷直流，無論是單相或3相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。配備的電機(jī)驅(qū)動器將包含必要的功率開關(guān)元件。這將輔之以電機(jī)控制器，集成確定位置和提供速度控制的功能，及優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行時的總能效的能力。
1. 12 V 橋驅(qū)動器，帶晶體管輸出；
2. 12 V無刷直流電機(jī)驅(qū)動器，帶晶體管輸出；
3. 24 V無刷直流電機(jī)驅(qū)動器，帶晶體管輸出；
4. 驅(qū)動240 V系統(tǒng)的3相無刷直流預(yù)驅(qū)動控制器；
5. 驅(qū)動600 V系統(tǒng)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器。

5 主要的白家電電機(jī)應(yīng)用
1. 冰箱——風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動內(nèi)部風(fēng)扇，而外部風(fēng) 扇由無刷直流電機(jī)驅(qū)動外部風(fēng)扇。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器執(zhí)行自動過濾清洗和阻尼功能。如果有自動制冰機(jī)則整合兩個有刷電 機(jī)。因此可能共需要5個電機(jī)。
2. 空調(diào)——無刷直流電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動內(nèi)部和外部風(fēng)扇。 步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行自動過濾清洗功能。包括一個步進(jìn)電機(jī)，控制 導(dǎo)出空氣。
3.洗衣機(jī)/烘干機(jī)——無刷直流電機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇以產(chǎn)生干 燥的空氣，以及供/排水。由步進(jìn)電機(jī)完成控制干燥空氣的 溫度。
過 去 ， 洗 衣 機(jī) 和 冰 箱 按 照 “ 全 部 或 沒 有 ” 的 原 理 工 作。近十年左右，越來越流行洗衣機(jī)支持多種速度模式，可 對不同大小負(fù)載作出響應(yīng)，從而提高能效。同樣地，冰箱壓 縮機(jī)也不是無視設(shè)備內(nèi)部溫度，簡單地保持全速運(yùn)行。通過 更智能的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將壓縮機(jī)的速度與所需的溫度水平 相匹配。實(shí)現(xiàn)更高能效的前提是能精確地控制電機(jī)速度。
將 來 ， 電 機(jī) 將 不 只 提 供 強(qiáng) 大 的 性 能 ， 還 具 有 小 的 尺寸。 而且家電轉(zhuǎn)至更小外形有熱管理的影響——系統(tǒng)產(chǎn)生的熱將被限制在更小的空間。熱強(qiáng)度的提高會對設(shè)備產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致可靠性問題。一種解決方法是使用額外的冷卻結(jié)構(gòu)，但 這會增加功率預(yù)算，所以不可行。另一種更優(yōu)的途徑是提高 能效水平以減少熱消耗。安森美半導(dǎo)體提供用于白家電應(yīng)用 的不同電機(jī)驅(qū)動器，能克服如前所述的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

圖5　IPM模塊終端應(yīng)用
6 實(shí)現(xiàn)更智能和更高集成度的電機(jī)驅(qū)動器方案 由于白家電設(shè)計(jì)的空間限制和能效要求，工程師多采 用更多基于IPM(智能功率模塊)的集成的電機(jī)驅(qū)動方案。這 將所需的各種元件壓縮為一個高度集成的混合IC模塊，采用高密度封裝。但傳統(tǒng)的IPM有一定的缺點(diǎn)。由于布線和布局問題，框架結(jié)構(gòu)中無源元件的位置可能會有問題。貼裝后，通常在焊外會產(chǎn)生可靠性問題。
安森美半導(dǎo)體已通過絕緣金屬基板技術(shù)(I M ST ) 的開 發(fā)，將自身定位為IPM設(shè)計(jì)的前沿。IMST是在鋁板上形成 電 子 電 路 —— 無 源 元 件 ( 電 阻 、 電 容 等 ) 、 分 立 元 件 ( 二 極 管、晶體管等)加上更復(fù)雜的IC(門極驅(qū)動器、數(shù)字信號處 理器等)都安裝在相同的基本上。IMST提供高熱傳導(dǎo)和工作 強(qiáng)固性。這方案可減少元件數(shù)和占板面積(因而可使用較以 前更小外形的模塊)。元件相當(dāng)容易安裝，極大減少所需布 線。得益于在鋁板和銅箔圖案之間的絕緣樹脂產(chǎn)生的分布式 電容，IMST證明在減少由開關(guān)引起的電磁干擾(EMI)方面極 為有效。因此，穩(wěn)定安靜的電機(jī)運(yùn)行可從中受益。
安森美半導(dǎo)體的IPM采用單列直插式封裝(SIP)以增加 安裝靈活性(模塊可水平或垂直于鉛貼裝)。不存在任何陶瓷 層(絕緣/機(jī)械穩(wěn)定性用途)的缺失意味著IMST能實(shí)現(xiàn)更好的 接地。注塑成型加強(qiáng)元件黏合能實(shí)現(xiàn)，以對焊接點(diǎn)施加更少 的壓力。
由于IC和子系統(tǒng)的創(chuàng)新(卓越的封裝和貼裝技術(shù))，及更 好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，工程師將能為市場帶來新一代白家電。這 將更能符合電源能效、緊湊/輕型架構(gòu)和安靜運(yùn)行的更高要 求，從而可最大滿足消費(fèi)者期望和環(huán)境準(zhǔn)則。