采用電機控制芯片組降低中國的電器能耗

通過(guò)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電機的一半(圖2)。
 
圖2  比較IM(感應電機)、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(lái)，傳統上采用逆變器的空調以?xún)煞N方式進(jìn)行整合。一種是來(lái)自日本，主要通過(guò)進(jìn)口現有的日本廠(chǎng)商推出的成品商品；另外一種則是通過(guò)中國國內廠(chǎng)商自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

日本進(jìn)口的空調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(dòng)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式壓縮機高40%，但后者的震動(dòng)與噪音較大。這種逆變器調節架構中除了一個(gè)單獨的風(fēng)扇逆變器與PFC(功率因數校正)電路外，還采用了先進(jìn)的32位RISC微控制器來(lái)控制壓縮機。

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

節能的空調室外單元

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

IRMCF312是一種采用MCE(運動(dòng)控制引擎)架構的空調控制器，這是一種獨特的硬件控制引擎，可提供快速計算算法進(jìn)行數字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(wú)傳感器的正弦位置控制。

設計師通過(guò)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(gè)DC-Link(直流鏈支撐)電流檢測分流電阻來(lái)為電機實(shí)施無(wú)傳感器FOC(磁場(chǎng)定向控制)，即采用專(zhuān)用的快速模擬電路與一個(gè)12位A/D轉換器來(lái)構建電機的相位電流。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(shí)現較高的PFC性能，IRMCF312整合了運算放大器，可通過(guò)外部電阻直接連接到交流線(xiàn)電壓及直流總線(xiàn)電壓上。與主要廠(chǎng)家的RISC微控制器相比，IRMCF312在典型的電路結構中去掉了五個(gè)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(shí)間內以64MHz的內部時(shí)速進(jìn)行全面的無(wú)傳感器正弦FOC計算。IRMCF312還包含一個(gè)8位微控制器，以加快對非電機驅動(dòng)任務(wù)進(jìn)行的計算和控制，如與UART、I2C/SPI、定時(shí)器/計數器、采集及數字I/O外設間的排序與通信等(圖3)。
 
 圖3  IRMCF312控制器芯片中含有一個(gè)用于管理應用層代碼的8位微控制器，一個(gè)雙通道MCE來(lái)控制空調壓縮機與風(fēng)扇電機，以及一個(gè)數字PFC控制器

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

這種方案與IR2136高壓集成電路結合，可實(shí)現成本適中的高效室外空調單元設計。該集成電路整合了三個(gè)獨立的600V半橋逆變器柵極驅動(dòng)電路，并內置了保護功能，如逆變器過(guò)電流觸發(fā)及欠壓鎖定，以及自動(dòng)故障清除功能。這種模擬柵級驅動(dòng)電路在產(chǎn)品生命周期內具備參數穩定性及參數匹配性，如對高側及低側通道的傳播延遲、死區時(shí)間插入等。單獨的電源與信號接地在低側IGBT實(shí)現了單直流線(xiàn)路結構，以進(jìn)行電流檢測。交叉導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(kāi)關(guān)損耗ETS。

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

這種整合的PFC控制采用無(wú)橋結構，該電路采用MCE的數字PFC算法來(lái)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(xiàn)來(lái)自于220V的交流輸入設備。在4kW的空調中，同時(shí)采用這三項控制功能。壓縮機采用以5200rpm轉速運行的4極嵌入式永磁電機。風(fēng)扇采用以1000rpm轉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(gè)分流電阻。

根據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的效率數據表明，在壓縮機電機0.5~3.5kW的輸入功率范圍內，該系統可達到94%以上的效率。PFC以20kHz數字計算更新速率、40kHzPWM載波頻率在連續電流模式下工作。PFC與壓縮機逆變器結合實(shí)現的峰值效率超過(guò)了95%—與當前市場(chǎng)上多數的高效節能空調相比，提高了5%。