采用電機控制芯片組降低中國的電器能耗

通過比較750W的永磁電機、SyncRM(同步磁阻電機)、SPM(表面式永磁)電機、及IPM(嵌入式永磁)電機的損耗分析，可以看出嵌入式永磁電機的損耗為感應(yīng)電機的一半(圖2)。
 
圖2  比較IM(感應(yīng)電機)、SyncRM(同步磁阻電機)、SPM(表面式永磁)電機、及IPM(嵌入式永磁)電機的損耗，可以看出永磁電機具有最低的功耗損耗

近年來，傳統(tǒng)上采用逆變器的空調(diào)以兩種方式進行整合。一種是來自日本，主要通過進口現(xiàn)有的日本廠商推出的成品商品；另外一種則是通過中國國內(nèi)廠商自主開發(fā)生產(chǎn)。

日本進口的空調(diào)一般采用渦旋式或雙螺旋壓縮機，這主要是由于日本對低振動與安靜運行的需求比經(jīng)濟性要求更高。

這些壓縮機成本比單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機高40%，但后者的震動與噪音較大。這種逆變器調(diào)節(jié)架構(gòu)中除了一個單獨的風(fēng)扇逆變器與PFC(功率因數(shù)校正)電路外，還采用了先進的32位RISC微控制器來控制壓縮機。

由于這種設(shè)計成本較高，中國在經(jīng)過十年的進口后，也沒有使之較好的滲入市場。這主要是由于其壓縮機非常昂貴及逆變器控制過于復(fù)雜造成的。雙螺旋壓縮機采用開路V/Hz控制、開/關(guān)風(fēng)扇控制，及一個單獨PFC的感應(yīng)電機。盡管這種設(shè)計的成本與單葉回轉(zhuǎn)式相差不多，但其提高的能源效率并不能節(jié)約足夠的電能，普及也受到了限制。

節(jié)能的空調(diào)室外單元

國際整流器公司(International Rectifier)近期推出了iMOTIONTM集成設(shè)計平臺，以期解決這種能效問題。利用iMOTIONTM芯片組，可以使用單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機，并能保證低震動的安靜運行。

IRMCF312是一種采用MCE(運動控制引擎)架構(gòu)的空調(diào)控制器，這是一種獨特的硬件控制引擎，可提供快速計算算法進行數(shù)字PFC控制，并可對嵌入式永磁壓縮機電機與風(fēng)扇電機提供無傳感器的正弦位置控制。

設(shè)計師通過采用IRMCF312，可免除單獨的風(fēng)扇控制器以及單獨的模擬PFC控制功能。這種芯片只需要一個DC-Link(直流鏈支撐)電流檢測分流電阻來為電機實施無傳感器FOC(磁場定向控制)，即采用專用的快速模擬電路與一個12位A/D轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建電機的相位電流。因此，控制器并不需要外部有源組件，自身就帶有與電機分流電阻直接連接的接口。

為了實現(xiàn)較高的PFC性能，IRMCF312整合了運算放大器，可通過外部電阻直接連接到交流線電壓及直流總線電壓上。與主要廠家的RISC微控制器相比，IRMCF312在典型的電路結(jié)構(gòu)中去掉了五個外部運算放大器及其相關(guān)的采樣保持電路。

IRMCF312還可在12ms時間內(nèi)以64MHz的內(nèi)部時速進行全面的無傳感器正弦FOC計算。IRMCF312還包含一個8位微控制器，以加快對非電機驅(qū)動任務(wù)進行的計算和控制，如與UART、I2C/SPI、定時器/計數(shù)器、采集及數(shù)字I/O外設(shè)間的排序與通信等(圖3)。
 
 圖3  IRMCF312控制器芯片中含有一個用于管理應(yīng)用層代碼的8位微控制器，一個雙通道MCE來控制空調(diào)壓縮機與風(fēng)扇電機，以及一個數(shù)字PFC控制器

與傳統(tǒng)的DSP或微控制器電機控制器相比，MCE不需要進行代碼編寫。設(shè)計師可利用Matlab/Simulink工具的圖形控制模擬編輯器對MCE進行編程。

這種方案與IR2136高壓集成電路結(jié)合，可實現(xiàn)成本適中的高效室外空調(diào)單元設(shè)計。該集成電路整合了三個獨立的600V半橋逆變器柵極驅(qū)動電路，并內(nèi)置了保護功能，如逆變器過電流觸發(fā)及欠壓鎖定，以及自動故障清除功能。這種模擬柵級驅(qū)動電路在產(chǎn)品生命周期內(nèi)具備參數(shù)穩(wěn)定性及參數(shù)匹配性，如對高側(cè)及低側(cè)通道的傳播延遲、死區(qū)時間插入等。單獨的電源與信號接地在低側(cè)IGBT實現(xiàn)了單直流線路結(jié)構(gòu)，以進行電流檢測。交叉導(dǎo)通保護防止意外擊穿電流，提高了逆變器的可靠性。

新的高壓集成電路可與IR的各種高效損耗阻滯溝塹IGBT配合工作，其中包括分立與集成的模塊。穿通型(PT)與非穿通型(NPT)IGBT相比，溝塹IGBT有較低的放射極飽和電壓VCE(ON)和總開關(guān)損耗ETS。

 
圖4  完整的采用iMOTION空調(diào)設(shè)計以較低的成本提供了高效的性能
 
圖4顯示了完整的iMOTIONTM室外空調(diào)設(shè)計。這處芯片組除去了10多個有源組件(包括一個PFC控制器和一個對高側(cè)接地故障檢測的霍爾效應(yīng)電流傳感器)，簡化了設(shè)計。與傳統(tǒng)的方式相比，iMOTION芯片組能夠讓家電設(shè)計師使用較低成本的單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機與很少的外部組件，更快地開發(fā)出高效的空調(diào)。

這種整合的PFC控制采用無橋結(jié)構(gòu)，該電路采用MCE的數(shù)字PFC算法來控制。壓縮機與風(fēng)扇PWM的工作頻率分別為6kHz與18kHz。其380V的直流總線來自于220V的交流輸入設(shè)備。在4kW的空調(diào)中，同時采用這三項控制功能。壓縮機采用以5200rpm轉(zhuǎn)速運行的4極嵌入式永磁電機。風(fēng)扇采用以1000rpm轉(zhuǎn)速運行的表面式永磁電機。IRMCF312在電機控制中不需要位置傳感器，只需要在DClink中有一個分流電阻。

根據(jù)交流輸入和逆變器輸出功率測量得出的壓縮機-逆變器-加上-PFC的效率數(shù)據(jù)表明，在壓縮機電機0.5~3.5kW的輸入功率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可達到94%以上的效率。PFC以20kHz數(shù)字計算更新速率、40kHzPWM載波頻率在連續(xù)電流模式下工作。PFC與壓縮機逆變器結(jié)合實現(xiàn)的峰值效率超過了95%—與當前市場上多數(shù)的高效節(jié)能空調(diào)相比，提高了5%。