【導(dǎo)讀】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。
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(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施新的能效標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jìn)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(dá)600 V，最大電流達(dá)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(dá)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。
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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(dá)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(jìn)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。
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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(hù)功能用于在電機異常停轉(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。
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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(dá)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(hù)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(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)。
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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(jìn)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。
