更嚴格的法規及日益增加的消費者期望 對白家電行業(yè)提出電機驅動(dòng)新挑戰

     白家電/家電制造商正經(jīng)歷艱難時(shí)期。他們不僅需要使他們的產(chǎn)品在一個(gè)極具競爭力性的市場(chǎng)對消費者更有吸引 力，同時(shí)必須遵循越來(lái)越嚴格的環(huán)境準則(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(kāi)發(fā)更緊湊、高能效的產(chǎn)品，運行更安靜支持更長(cháng)的使用 時(shí)間。下文著(zhù)眼于在電機驅動(dòng)器IC中承擔最新創(chuàng )新的元素和 白家電設計中的智能功率模塊(IPM)技術(shù)所提供。
在亞洲、非洲和南美迅速擴張的人口及全球持續的經(jīng) 濟發(fā)展導致全球總能耗日益攀升——國際能源機構(IEA)預 測全球能源需求從現在到2040年間將增加37%?；剂蟽?備日益減少、社會(huì )越來(lái)越重視的碳排放的生態(tài)影響，人們仍 然沒(méi)有真正大規模的可再生能源。

1 當前現狀
世界各國政府正強制執行立法措施以節省能耗，應對 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(wú) 法 恢 復
的 。 美 國 能 源 部 (DoE) 于2 0 1 4 年9 月 制 定 標 準 ， 以 提 升 冰 箱 和 冰 柜 的 能 效 ， 執 行 標 準 的 以 后 生 產(chǎn) 的 新 型 產(chǎn) 品 需 降 低2 0 % 的 能 耗 。 據

圖1  電機驅動(dòng)器用途

圖2  白家電電機驅動(dòng)器
估計，這將在接下來(lái)的30年節省約4.84 x 1015的英國熱單位 的累積能量(相當于目前美國家庭制冷產(chǎn)品年消耗總能量的3 倍)。政府機構現正進(jìn)一步針對房間空調和洗衣機的特別標 準，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)跑者計劃(不僅包括白家電，還包括爐 具、熱水器、電腦、空調、自動(dòng)售貨機、辦公設備等)全面 啟動(dòng)以來(lái)，通過(guò)督促制造商遵循其準則和違反準則的采取 “點(diǎn)名批評”的方式，已顯著(zhù)提升能效。

2 消費者壓力
從 消 費 者 的 角 度 ， 有 許 多 屬 性 會(huì ) 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)品區別開(kāi)來(lái)。這里最值得注意有幾點(diǎn)：
1. 消費者購買(mǎi)家電時(shí)很精明。他們意識到盡管產(chǎn)品價(jià) 格可能有具吸引力的標價(jià)，但其工作過(guò)程中的運行成本可能 更高，從而很快消除任何價(jià)格優(yōu)勢?？蓪?shí)時(shí)顯示工作能效、 不會(huì )過(guò)多消耗電的家電產(chǎn)品，售價(jià)肯定略高。
2. 可靠的運行基本上是給定的。如果一款產(chǎn)品無(wú)法可 靠的運行，那么制造商是在砸其招牌。
3. 可以給最大化內部尺寸消費者提供更多的附加值。 有更多可用內部存儲空間冰箱，或有更大負載容量的洗衣機 更有可能吸引消費者。

圖3  展示在電冰箱內使用基于IMST的IPM的電機控制電路圖    

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

3 待克服的技術(shù)問(wèn)題
消費者和立法動(dòng)態(tài)所推動(dòng)，白家電設計正經(jīng)歷徹底改 變。過(guò)去的龐大設備需要由更時(shí)尚、更多可用空間的經(jīng)濟設 計取代。由于家電的緊湊度成為一個(gè)越來(lái)越重要的賣(mài)點(diǎn)，其 組件大小需要跟趨勢——特別是電機。

4 白家電中的電機類(lèi)型及用途
電機(及壓縮機和風(fēng)扇)正被整合至現代廚房或雜物間的 各種硬件。根據應用可使用各種不同的電機類(lèi)型，如交流感 應、有刷和無(wú)刷直流，無(wú)論是單相或3相拓撲結構。配備的電機驅動(dòng)器將包含必要的功率開(kāi)關(guān)元件。這將輔之以電機控制器，集成確定位置和提供速度控制的功能，及優(yōu)化電機運行時(shí)的總能效的能力。
1. 12 V 橋驅動(dòng)器，帶晶體管輸出；
2. 12 V無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器，帶晶體管輸出；
3. 24 V無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器，帶晶體管輸出；
4. 驅動(dòng)240 V系統的3相無(wú)刷直流預驅動(dòng)控制器；
5. 驅動(dòng)600 V系統的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器。

5 主要的白家電電機應用
1. 冰箱——風(fēng)扇電機驅動(dòng)器驅動(dòng)內部風(fēng)扇，而外部風(fēng) 扇由無(wú)刷直流電機驅動(dòng)外部風(fēng)扇。步進(jìn)電機驅動(dòng)器執行自動(dòng)過(guò)濾清洗和阻尼功能。如果有自動(dòng)制冰機則整合兩個(gè)有刷電 機。因此可能共需要5個(gè)電機。
2. 空調——無(wú)刷直流電機負責驅動(dòng)內部和外部風(fēng)扇。 步進(jìn)電機執行自動(dòng)過(guò)濾清洗功能。包括一個(gè)步進(jìn)電機，控制 導出空氣。
3.洗衣機/烘干機——無(wú)刷直流電機驅動(dòng)風(fēng)扇以產(chǎn)生干 燥的空氣，以及供/排水。由步進(jìn)電機完成控制干燥空氣的 溫度。
過(guò) 去 ， 洗 衣 機 和 冰 箱 按 照 “ 全 部 或 沒(méi) 有 ” 的 原 理 工 作。近十年左右，越來(lái)越流行洗衣機支持多種速度模式，可 對不同大小負載作出響應，從而提高能效。同樣地，冰箱壓 縮機也不是無(wú)視設備內部溫度，簡(jiǎn)單地保持全速運行。通過(guò) 更智能的驅動(dòng)系統設計，將壓縮機的速度與所需的溫度水平 相匹配。實(shí)現更高能效的前提是能精確地控制電機速度。
將 來(lái) ， 電 機 將 不 只 提 供 強 大 的 性 能 ， 還 具 有 小 的 尺寸。 而且家電轉至更小外形有熱管理的影響——系統產(chǎn)生的熱將被限制在更小的空間。熱強度的提高會(huì )對設備產(chǎn)生壓力，導致可靠性問(wèn)題。一種解決方法是使用額外的冷卻結構，但 這會(huì )增加功率預算，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。安森美半導體提供用于白家電應用 的不同電機驅動(dòng)器，能克服如前所述的設計挑戰。

圖5　IPM模塊終端應用
6 實(shí)現更智能和更高集成度的電機驅動(dòng)器方案 由于白家電設計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)的集成的電機驅動(dòng)方案。這 將所需的各種元件壓縮為一個(gè)高度集成的混合IC模塊，采用高密度封裝。但傳統的IPM有一定的缺點(diǎn)。由于布線(xiàn)和布局問(wèn)題，框架結構中無(wú)源元件的位置可能會(huì )有問(wèn)題。貼裝后，通常在焊外會(huì )產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。
安森美半導體已通過(guò)絕緣金屬基板技術(shù)(I M ST ) 的開(kāi) 發(fā)，將自身定位為IPM設計的前沿。IMST是在鋁板上形成 電 子 電 路 —— 無(wú) 源 元 件 ( 電 阻 、 電 容 等 ) 、 分 立 元 件 ( 二 極 管、晶體管等)加上更復雜的IC(門(mén)極驅動(dòng)器、數字信號處 理器等)都安裝在相同的基本上。IMST提供高熱傳導和工作 強固性。這方案可減少元件數和占板面積(因而可使用較以 前更小外形的模塊)。元件相當容易安裝，極大減少所需布 線(xiàn)。得益于在鋁板和銅箔圖案之間的絕緣樹(shù)脂產(chǎn)生的分布式 電容，IMST證明在減少由開(kāi)關(guān)引起的電磁干擾(EMI)方面極 為有效。因此，穩定安靜的電機運行可從中受益。
安森美半導體的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/機械穩定性用途)的缺失意味著(zhù)IMST能實(shí)現更好的 接地。注塑成型加強元件黏合能實(shí)現，以對焊接點(diǎn)施加更少 的壓力。
由于IC和子系統的創(chuàng )新(卓越的封裝和貼裝技術(shù))，及更 好的設計實(shí)踐，工程師將能為市場(chǎng)帶來(lái)新一代白家電。這 將更能符合電源能效、緊湊/輕型架構和安靜運行的更高要 求，從而可最大滿(mǎn)足消費者期望和環(huán)境準則。