高效制冷——適用于冰箱壓縮機的低功耗電機驅動設計

　　傳統設計方法

　　現在已有的設計方式是測定壓縮機系統，可以在最差的運行條件下，提供所要求的最大制冷性能，如在夏季或考慮開冰箱門的情況。盡管很少會發生這種最大的極限需求，但是只要它一激活，具有簡單開/關控制的系統就會吸收額定功率。因此，系統消耗能源僅僅是用于保持在大多數運行條件下所需的溫度。

　　采用具有簡易開關控制的定速壓縮機也會導致相對不穩定的箱內溫度。這是由于當啟動過大尺寸的壓縮機時，溫度會迅速地降低到所需要的溫度點以下，并且在再次開始快速制冷前，上升到設計的溫度點之上。在關閉狀態和全速運行之間這種突然的快速轉換也會帶來設備噪聲的明顯變化，從而產生不佳的用戶體驗。

　　節能等問題

　　采用逆變驅動器的電子壓縮機速度控制，根據電器的應用模式，通過使壓縮機的速度可調，可以顯著降低總能耗。例如，在快速制冷時，電機可以在比較短的周期進行全速運行，實現快速制冷，然后，它就會以非常低的速度運行，從而在設置的溫度點下，保持冰箱處于穩定狀態。這種方法也允許設計者指定一個最大性能相對較低的壓縮機，從而節約了成本、尺寸和功率。利用一種更先進的變速運行選擇，電器設計者就能夠創建出新產品，通過在開關模式之間更輕柔的轉換，消耗更少的能量，產生更少的噪聲，并通過降低在設置點上下的波動，保持更穩定的溫度。

　　控制和電源設計方面的挑戰

　　為了調節電機速度，以響應感應到的溫度和其它相關數據，如門開/關檢測，可以在逆變器上采用一個數字信號處理器(DSP)來計算適當的控制信號以生成電機控制波形。磁場定向控制(FOC)是無刷電機首選的控制技術，而且一般認為它可以提供流暢的轉矩控制，具有低噪聲，速度范圍寬和最小電機損耗等特點。

　　在軟件中，采用一個通用的數字信號處理器(DSP)或一個數字信號控制器(DSC)來執行FOC算法。一個備用算法是采用集成控制器，在定制化的軟件中，執行多數的電機控制功能。這種方法的優勢包括減少了元件數量、實現了更快的算法執行并簡化了設計，而無需控制軟件編碼。

　　國際整流器公司(IR)的iMOTION數字控制IC采用IR的電機控制引擎(Motor Control Engine)，這是一款硬件IP，能夠在11µs的時間內執行無傳感器FOC算法。設計者可以利用iMOTION工具和MCE庫來定制電機控制算法?？刂破鬟€集成了重要的系統功能，如面向客戶應用、基于8051的微控制器，一個嵌入式模擬信號引擎(Analog Signal Engine)，采用信號調節和轉換電流進行單電阻電流檢測的無傳感器控制。

　　為了驅動電機，設計者還必須應對另外一項挑戰，即采用包括高壓柵極驅動器的逆變級、六個功率器件的3相橋、適用于無傳感器控制的電流檢測、以及保護和故障報告電路。采用分立元件執行這些功能需要特定的設計技術，并且會導致更長的開發時間和更高的成本。其它的挑戰還包括管理EMI，以及滿足那些空間占主導地位的小空間應用的需求。

　　智能型功率模塊(IPM)應運而生，幫助工程師解決執行與逆變器相關的挑戰。這些器件集成了驅動一個電機所需的所有高端和低端電路。大量的IPM適用于30W至200W功率級的應用。

　　為了給模塊中敏感電子電路和高壓開關器件提供足夠的分離空間，第一代IPM趨向于大的模塊，采用傳統的引線封裝技術，如DIP或SIP封裝。除了它們大的物理尺寸外，相對低的熱性能通常需要一個外加散熱器。這些因素會為空間受限系統中的電機控制器集成設置障礙。而且，增加散熱器會提高對振動和其機械壓力的敏感性。

　　模塊尺寸和熱性能

　　為了克服這些問題，較新的IPM目前正在采用高級功率封裝，如PQFN的優勢，以實現更小的尺寸并提高熱效率。IR的µIPMTM系列，采用12 x 12 x 0.9 mm PQFN封裝，與現有的3相IPM相比，占位面積縮小了60%以上。同時，模塊還提供了高絕緣安全性，滿足UL標準中2.3mm的爬距要求，并且提供了1500Vrms的最小絕緣電壓。除了封裝尺寸外，所有變量還共享一個通用的引腳輸出，展示出一個可升級的電源系列，額定的DC電流范圍是2A至4A，電壓范圍為250V至500V。