安森美應(yīng)用于家電的高能效電機驅(qū)動方案

　　隨著能源成本上升及消費者對家電節(jié)能意識增強，世界各國政府紛紛出臺更加嚴格的能效標準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施新的能效標準以減少電冰箱、空調(diào)和洗衣機的能源使用，某些情況下強制要求能效提升多達35%。日本的能效“領(lǐng)跑者”(Top Runner)項目自實施以來，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來控制不同功能。電機包括交流(AC)電機和直流(DC)電機。其中DC電機包括有刷直流電機和無刷直流(BLDC)電機。BLDC電機分旋轉(zhuǎn)電機和步進電機，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驅(qū)動/控制方案，支持最高電壓達600 V，最大電流達50 A。這些電機驅(qū)動器包括4種，分別是12 V BLDC電機驅(qū)動器、24 V BLDC電機驅(qū)動器、3相 BLDC驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機驅(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力冷卻功能的電機。

　　圖1：用于家電的電機驅(qū)動器/控制器電壓/電流范圍概覽。

　　此外，用戶要求家電產(chǎn)品減小電機產(chǎn)生的惱人噪聲，希望有舒適寧請靜的使用體驗。因此，工程師要選擇產(chǎn)生更低噪聲的電機。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最多，可能達5個或更多，典型應(yīng)用包括阻尼器、風(fēng)扇、制冰機、壓縮機、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，利用電機進行氣流調(diào)節(jié)。制冰機可能使用2個電機，一個用于出冰，另一個用于清空制冰托盤。

　　圖2. 電冰箱中的電機應(yīng)用

　　1) 壓縮機驅(qū)動

　　所有的電冰箱都有壓縮機。最新的壓縮機使用工作電壓為600 V的BLDC電機設(shè)計，要求電機驅(qū)動器具有高擊穿電壓、高能效及高可靠性。針對壓縮機電機驅(qū)動應(yīng)用，建議使用安森美半導(dǎo)體用于3相電機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) 自動制冰機驅(qū)動

　　電冰箱自動制冰機使用有刷電機，一項功能是開啟和關(guān)閉用于填充托盤的供應(yīng)閥，另一項功能是一旦水結(jié)冰就翻轉(zhuǎn)托盤。這兩個功能都可以使用H橋電機驅(qū)動器來實現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體提供用于自動制冰機電機驅(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/反向電機驅(qū)動器，采用強固的擊穿設(shè)計，在待機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

　　對于電冰箱而言，通過風(fēng)機通風(fēng)來排熱是重要功能，要求電機驅(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)功能實現(xiàn)極為安靜的電機工作。此外，鎖保護功能用于在電機異常停轉(zhuǎn)時關(guān)閉輸出，因而保護驅(qū)動器。

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

　　4) 阻尼器

　　阻尼器用于起緩沖作用，當作用點運動很慢時，幾乎沒有阻力，而在作用點運動較快時阻力就明顯增大，廣泛用于電冰箱和洗衣機等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體用于電冰箱阻尼器的電機驅(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)機及室外機等不同組成部分。空調(diào)室內(nèi)機通常使用2個電機，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;室外機通常使用3個電機，用于壓縮機、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

　　室內(nèi)機和室外機都會用到直流風(fēng)扇，需要驅(qū)動3相BLDC風(fēng)扇電機。風(fēng)扇電機的驅(qū)動電壓可達250 V，設(shè)計要求采用600 V器件，以確保足夠強固，能夠處理噪聲尖峰問題。其中，室內(nèi)機使用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。室外機使用3.0 A的風(fēng)扇。

　　圖5：空調(diào)中的電機應(yīng)用。

　　安森美半導(dǎo)體為直流風(fēng)扇電機提供由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(1 A/2 A/3 A)驅(qū)動，能效高，工作安靜，元器件數(shù)量少，集成多種保護特性，提供更高可靠性。省電模式還使待機電流幾乎為零。

　　2) 用于壓縮電機和風(fēng)扇電機的IPM

　　安森美半導(dǎo)體為空調(diào)的壓縮電機及風(fēng)扇電機驅(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. 洗衣機及烘干機

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

　　圖7. 洗衣機/烘干機中的電機應(yīng)用。

　　1) 筒驅(qū)動

　　在洗衣機內(nèi)部，筒驅(qū)動器是最大的電機，通常電流在10 A范圍。安森美半導(dǎo)體用于3相BLDC電機驅(qū)動器的IPM是用于筒驅(qū)動的最先進產(chǎn)品系列，符合高能效、安靜驅(qū)動、極佳散熱、強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

　　洗衣及烘干機應(yīng)用中，阻尼器上要有一個電機來控制烘干機的氣流。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等高能效電機驅(qū)動器IC。以LB1948MC為例，這器件易于設(shè)計，待機電流幾乎為零。

　　4) 直流風(fēng)扇

　　洗衣及烘干機中的鼓風(fēng)機跟空調(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。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、電機驅(qū)動、用戶接口、通信、測量等。本文重點介紹了安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)、烘干及洗衣機等家電的電機驅(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。

　　供稿：安森美半導(dǎo)體

　　參考資料：

　　1、《白家電方案小冊子》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8083CN-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

　　2、《安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)系列》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND6031-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

　　3、《安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于白家電的變頻器智能功率模塊(IPM)技術(shù)及方案》，安森美半導(dǎo)體

　　4、《安森美半導(dǎo)體用于白家電應(yīng)用的無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動及控制方案》，安森美半導(dǎo)體

　　5、安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站消費應(yīng)用專區(qū)，www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15080