基于平臺的變速電動(dòng)機方案開(kāi)發(fā)

從家庭中常用的冰箱、洗衣機、洗碗機到工廠(chǎng)及加工廠(chǎng)的水泵和風(fēng)扇、以及辦公室里的空調系統，中小型電機都需要得到有效的控制。在商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中，我們對電動(dòng)機的依賴(lài)無(wú)處不在，據估計電動(dòng)機消耗的電能占據了全球電能消耗的50%以上。

然而，問(wèn)題在于絕大部分電動(dòng)機都不是非常有效，就像感應電動(dòng)機、交直流兩用電動(dòng)機和不經(jīng)濟的電動(dòng)機械驅動(dòng)器那樣效率低下?？紤]到環(huán)保、立法和商業(yè)，以及結合基于電動(dòng)機設備消耗大量的能源，對于工程師來(lái)說(shuō)很有必要找出改善電機效率的方法。

圖1：IRS2136D系列產(chǎn)品功能方塊圖。

以冰箱為例，它大約占家用電能的15%，其中大部分電能被浪費在將熱量泵出冰箱的過(guò)程中。傳統的冰箱所配備的單相感應電動(dòng)機僅以全速工作，當(冰箱)內部溫度上升到期望的溫度時(shí)，壓縮電機就相應啟動(dòng)；當達到期望的溫度時(shí)，電動(dòng)機就停止工作?；蛞韵匆聶C為例，其中大部分電能被用于加熱大量的水，從而進(jìn)一步提高效率的辦法可能是減少洗衣期間所需要的用水量。

再以空調為例，它是家庭和辦公室中典型的、最大的電能消費者，里面可能有多個(gè)電動(dòng)機(用于風(fēng)扇和壓縮機)，增加了浪費電能的機會(huì )。最近特別發(fā)布了相關(guān)的法令以提高周期性能效比(SEER)，在中國這樣的國家中，空調機的使用量在不過(guò)五年之間內就增長(cháng)了大約400%。

變速電動(dòng)機控制

這些應用的共同點(diǎn)在于通過(guò)用基于逆變器的、變速、永磁同步電動(dòng)機(PMSM)運動(dòng)控制來(lái)替代傳統的感應電動(dòng)機(AM1)，工程師可以設計出極高效率的電動(dòng)機。提高效率會(huì )降低營(yíng)業(yè)成本，并滿(mǎn)足了降低用電量的環(huán)保和立法的要求。其它的好處在于：變速解決方案產(chǎn)生更小的聲學(xué)噪音和電噪聲；工作產(chǎn)生的振動(dòng)更低；產(chǎn)品的可靠性更高及電動(dòng)機的控制更精確。工程師因而能將更多的功能設計到目標應用之中。

迄今為止，實(shí)現變速電動(dòng)機面臨的挑戰是在不增加系統成本的情況下運用電動(dòng)機控制技術(shù)。這是個(gè)很大的挑戰，因為變速解決方案需要更復雜精密的驅動(dòng)和控制電路。這樣的復雜性典型地讓許多國內OEM無(wú)法進(jìn)行企業(yè)內部的開(kāi)發(fā)。然而，上市時(shí)間和成本約束也意味著(zhù)，購買(mǎi)最新的、預先封裝的電動(dòng)機驅動(dòng)并利用系統集成商的做法一般也不能獨立發(fā)展。因此，在變速電動(dòng)機設計和實(shí)現的過(guò)程中，需要降低成本、縮短時(shí)間和控制風(fēng)險的新方法。為了滿(mǎn)足這種需求，要采用集成的、基于平臺的電動(dòng)機控制技術(shù)，在提供面向特定應用的配置靈活性的同時(shí)，讓“構建模塊”能被組合到實(shí)現變速電動(dòng)機驅動(dòng)所需要的功能之中。

IR公司用于變速電動(dòng)機控制的平臺--稱(chēng)為iMOTION――為設計工程師提供了一種不需要位置傳感器的、實(shí)現節能、變速正弦曲線(xiàn)電流控制的綜合系統級方法。該平臺為設計工程師提供了配置變速電動(dòng)機控制好處所需要的一切。用于空調機的iMOTION平臺方案現在就可以(從IR)得到，并配備針對家用電器的解決方案。

模擬的構建模塊

iMOTION平臺構建模塊由數字控制器IC、模擬柵極驅動(dòng)器、保護IC和功率平臺組成，它受到各種易用開(kāi)發(fā)和支持工具的支持，包括參考設計、基于GUI的編程工具和文件。在此，我們將從最近發(fā)布的IRS2136D家族出發(fā)，來(lái)仔細分析該平臺的模擬單元。

圖2：IRS2136D與iMOTION平臺一起被安裝在電動(dòng)機驅動(dòng)電路之中。

IRS2136D家族是一系列組合了三相功率MOSFET和IGBT驅動(dòng)器功能的高速、高電壓集成器件，并將綜合保護能力集成到單顆緊湊器件之中。封裝選項包括28引腳SOIC或PDIP封裝套(doormats)或44引腳PLCC。圖1所示為這些IC提供的功能方塊圖。

IR已經(jīng)利用其專(zhuān)有的高壓IC(HVIC)技術(shù)來(lái)設計新器件。對于設計產(chǎn)品以驅動(dòng)MOSFET和IGBT來(lái)說(shuō)，該技術(shù)是比較理想的。柵驅動(dòng)輸出的設計采用了抗閉鎖CMOS電路，該技術(shù)容許將低壓驅動(dòng)器與高壓級開(kāi)關(guān)集成起來(lái)，以在單片IC中實(shí)現高壓側和低壓側的柵極驅動(dòng)器。如圖1所示，在IRS2136D家族的情形下，每一個(gè)器件都集成了三個(gè)獨立的高壓側和低壓側參考輸出溝道，從而為三相應用提供全面的解決方案。高壓側600V半橋逆變器柵驅動(dòng)器提供懸浮溝道，該懸浮動(dòng)溝道的設計是為了引導工作，以被用于驅動(dòng)N溝道功率MOSFET或IGBT。

每一個(gè)高壓側溝道內建的引導二極管起的重要作用是進(jìn)一步減少元件數量和電路復雜性。該引導方案適用于大多數PWM配置，并可被用于與外部引導網(wǎng)絡(luò )并聯(lián)或取代外部網(wǎng)絡(luò )。這種靈活性使得IRS2136D產(chǎn)品適用于各種電動(dòng)機控制應用，包括空調機、洗衣機、通用逆變器和微型/小型逆變器驅動(dòng)。

除了它們的驅動(dòng)能力，新型IC還提供重要的內建保護功能級，過(guò)去該功能需要外部電路來(lái)實(shí)現。這種功能包括對所有溝道的欠壓鎖定和能夠自動(dòng)關(guān)閉6個(gè)驅動(dòng)器的過(guò)流啟動(dòng)裝置(trip)。欠壓鎖定功能包括自動(dòng)故障清除功能，而過(guò)流故障條件經(jīng)外部RC網(wǎng)絡(luò )編程的一段延遲之后可被自動(dòng)清除。此外，輸出驅動(dòng)器的重要作用是高脈沖電流緩沖級，它的設計是為了提供交叉傳導保護，該級防止意外短路并增加了逆變器的可靠性。

新型的IRS2136D所工作的柵驅動(dòng)電源范圍是10V到20V，其邏輯輸入與CMOS或輸出低到3.3V的LSTTL兼容。在產(chǎn)品生命期過(guò)程中，模擬柵驅動(dòng)器都表現出參數的穩定性，而為高壓側和低壓側溝道的參數匹配--如傳播延遲--支持精確的死區時(shí)間插入。分開(kāi)的電源和信號地連接使得在低壓側IGBT上設計用于電流傳感的單DC線(xiàn)配置成為可能。

完成設計

以空調設計為例，圖2中IRS2136D與IR公司的iMOTION平臺一起被安裝在電動(dòng)機驅動(dòng)電路之中。在此情形下有兩個(gè)驅動(dòng)器IC，一個(gè)用于風(fēng)扇而另一個(gè)用于壓縮機，功率級由IC公司的高效率損耗阻滯溝道IGBT組成。系統核心的是IRMCF312數字控制器，該控制器結合了IR公司擁有專(zhuān)利的運動(dòng)控制引擎(MCE)、一個(gè)模擬信號引擎(ASE)以及一個(gè)應用層處理器。MCE除了控制PFC電路之外，要為兩個(gè)電動(dòng)機執行復雜的無(wú)傳感器PMSM算法，而ASE為單個(gè)分流無(wú)傳感器控制提供所有的信號調理和轉換電路。應用層處理器獨立地定義來(lái)自MCE的空調系統的工作。