应用于家电的高能效电机驱动方案

        随着能源成本上升及消费者对家电节能意识增强，世界各国政府纷纷出台更加严格的能效标准或高能效激励措施以提升白家电能效。如美国能源部建议实施新的能效标准以减少电冰箱、空调和洗衣机的能源使用，某些情况下强制要求能效提升多达35%。日本的能效“领跑者”(Top Runner)项目自实施以来，也大幅提升了空调及电冰箱的能效要求。
家电中通常要使用多种不同的电机来控制不同功能。电机包括交流(AC)电机和直流(DC)电机。其中DC电机包括有刷直流电机和无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机分旋转电机和步进电机，具有显著的节能、低噪声和优异变速性能等特性，广泛应用于电冰箱、空调及洗衣机等家电应用。
设计人员要设计高能效的家电产品，就需要在设计中选择高能效的电源转换及电机驱动/控制方案。安森美半导体积推动高能效创新，提供宽广阵容的产品及方案。本文将分析家电中的电机应用，并介绍安森美半导体应用于典型家电产品的电机驱动及控制方案。
家电应用要求及设计挑战
针对家电中的不同电机应用对电压及电流范围的不同要求，安森美半导体提供宽广阵容的高能效电机驱动/控制方案，支持最高电压达600 V，最大电流达50 A。这些电机驱动器包括4种，分别是12 V BLDC电机驱动器、24 V BLDC电机驱动器、3相 BLDC驱动器控制器(驱动电压达240 V)及600 V或更高电压BLDC电机驱动器。
除了要匹配不同的电压/电流要求，工程师在家电应用设计的另一共同挑战是能耗问题。例如，如果风扇驱动器的电路板内置，就会产生热量及并要求消耗额外的电能来把它冷却。因此，工程师可能会同时要求高能效及具强力冷却功能的电机。


图1：用于家电的电机驱动器/控制器电压/电流范围概览。

此外，用户要求家电产品减小电机产生的恼人噪声，希望有舒适宁请静的使用体验。因此，工程师要选择产生更低噪声的电机。有些家电如电冰箱，由于用户的居住空间有限，他们会青睐体积小巧的电冰箱。这趋势导致工程师采用更小的电机以优化占用空间。由于家电要求采用高压电源来驱动，耐用性、安全性及可靠性很重要。


       
用于典型家电应用的电机驱动器方案
1. 电冰箱
据统计，高档电冰箱中使用的电机最多，可能达5个或更多，典型应用包括阻尼器、风扇、制冰机、压缩机、气流调节及冷却流泵等。最基础功能的电冰箱也有压缩电机和冷却流泵。较高端的产品使用风扇及阻尼器，利用电机进行气流调节。制冰机可能使用2个电机，一个用于出冰，另一个用于清空制冰托盘。


图2. 电冰箱中的电机应用

1) 压缩机驱动
所有的电冰箱都有压缩机。最新的压缩机使用工作电压为600 V的BLDC电机设计，要求电机驱动器具有高击穿电压、高能效及高可靠性。针对压缩机电机驱动应用，建议使用安森美半导体用于3相电机控制的智能功率模块(IPM)，如单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A到10 A)，以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A至10A)。
这些IPM使用安森美半导体独特的绝缘金属基板技术(IMST)，在铝板也就是在金属基板上搭建电子电路，使多种元件能够封装在同一个模块IC中，包括电阻和电容等分立无源元件、二极管和晶体管等分立有源元件，以及更复杂的IC或专用集成电路(ASIC)，如门极驱动器、数字信号处理器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输出电路、控制电路及其外围电路贴装在相同基板上。这些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件实现的大电流设计相比，能帮助大幅减少元件数量，减小电路板占用空间，降低系统总成本，减少散热及提升可靠性。


图3：安森美半导体智能功率模块(IPM)采用IMST将多种元器件封装为模块。

2) 自动制冰机驱动
电冰箱自动制冰机使用有刷电机，一项功能是开启和关闭用于填充托盘的供应阀，另一项功能是一旦水结冰就翻转托盘。这两个功能都可以使用H桥电机驱动器来实现。安森美半导体提供用于自动制冰机电机驱动的器件包括LB1948M和LV8548M等。这些器件提供高击穿电压、高能效和变速控制等关键特性。其中，LB1948M是2通道、12 V低饱和电压驱动、正向/反向电机驱动器，采用强固的击穿设计，在待机模式下的电流消耗为零。LV8548M是单低导通阻抗DMOS驱动器，励磁模式包括满步及半步等，提供不同的步幅调节；这器件的导通阻抗仅为1 Ω，帮助提升能效；待机模式下的电流消耗同样为零，提供低能耗工作。
3) 通风电机
对于电冰箱而言，通过风机通风来排热是重要功能，要求电机驱动器具有安静驱动、高能效及变速控制等特性。安森美半导体提供应用于电冰箱通风的创新、高能效的无传感器型电机驱动器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驱动器。这些驱动器能够提供低能耗及低振动的工作，它们不要求霍尔传感器，因而能够减小电机尺寸。软启动功能使它们能够稳定地安静启动。LV8804FV、LV8805SV集成的软开关功能实现极为安静的电机工作。此外，锁保护功能用于在电机异常停转时关闭输出，因而保护驱动器。


图4：安森美半导体用于电冰箱的电机驱动及其它产品阵容。

4) 阻尼器
阻尼器用于起缓冲作用，当作用点运动很慢时，几乎没有阻力，而在作用点运动较快时阻力就明显增大，广泛用于电冰箱和洗衣机等应用。安森美半导体用于电冰箱阻尼器的电机驱动器包括LB1948M和LV8548M等。这些器件提供高击穿电压、高能效、低待机电流及变速控制等关键特性。


       
2. 空调
常见的房间空调包括室内机及室外机等不同组成部分。空调室内机通常使用2个电机，其中1个用于风扇，另一个用于百叶窗，以控制房间内的气流；室外机通常使用3个电机，用于压缩机、风扇及阀。更高端型号还有辅助风扇。
1) 直流风扇电机
室内机和室外机都会用到直流风扇，需要驱动3相BLDC风扇电机。风扇电机的驱动电压可达250 V，设计要求采用600 V器件，以确保足够强固，能够处理噪声尖峰问题。其中，室内机使用1.0 A的风扇。较大的分体式空调则使用2.0 A风扇。室外机使用3.0 A的风扇。


图5：空调中的电机应用。

安森美半导体为直流风扇电机提供由LV8136V预驱动器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相风扇电机混合集成电路(HIC)构成的驱动方案。此方案提供高压、大电流(1 A/2 A/3 A)驱动，能效高，工作安静，元器件数量少，集成多种保护特性，提供更高可靠性。省电模式还使待机电流几乎为零。
2) 用于压缩电机和风扇电机的IPM
安森美半导体为空调的压缩电机及风扇电机驱动提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C47xxx系列的3相变频器IPM，以及结合升压功率因数校正(PFC)和3相变频器的STK57F-3xx系列二合一IPM产品，提供多种应用优势。以STK57F-3xx系列IPM产品为例，由于将PFC和3相变频器合二为一，不仅提供高能效电路，还大幅减少元器件数量，节省PCB占用空间，缩短开发时间，降低组装成本，加快上市进程。


图6. 安森美半导体用于空调的二合一变频器智能功率模块(IPM)。


       
3. 洗衣机及烘干机
洗衣机要求采用电机来驱动筒、水泵以及各种泵，烘干机需要电机来驱动筒及鼓风机。


图7. 洗衣机/烘干机中的电机应用。

1) 筒驱动
在洗衣机内部，筒驱动器是最大的电机，通常电流在10 A范围。安森美半导体用于3相BLDC电机驱动器的IPM是用于筒驱动的最先进产品系列，符合高能效、安静驱动、极佳散热、强固及可靠工作等要求。这些IPM包括单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A至10 A)以及三分流电阻型的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变速驱动等关键特性。安森美半导体的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于这类三相BLDC电机驱动应用。这些器件的PWM占空比能够采用IC输入来控制，适合从9.5 V至30 V的宽工作电压范围。
3) 阻尼器
洗衣及烘干机应用中，阻尼器上要有一个电机来控制烘干机的气流。此阻尼器的关键要求跟电冰箱阻尼器相同，推荐使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效电机驱动器IC。以LB1948MC为例，这器件易于设计，待机电流几乎为零。
4) 直流风扇
洗衣及烘干机中的鼓风机跟空调应用类似，建议使用LV8136V。这是一款PWM系统预驱动器IC，用于驱动3相无刷直流电机。由于采用PWM驱动，这IC提供优化的能效及低噪声。
总结：
安森美半导体积极推动高能效创新，提供应用于家电的完整方案，包括电源、电机驱动、用户接口、通信、测量等。本文重点介绍了安森美半导体应用于电冰箱、空调、烘干及洗衣机等家电的电机驱动及控制器以及高集成度的智能功率模块(IPM)方案，帮助设计人员针对具体应用选择适合的产品，设计出高能效、高可靠性及静音工作的家电。