基于平臺的變速電動機(jī)方案開發(fā)

從家庭中常用的冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)到工廠及加工廠的水泵和風(fēng)扇、以及辦公室里的空調(diào)系統(tǒng)，中小型電機(jī)都需要得到有效的控制。在商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中，我們對電動機(jī)的依賴無處不在，據(jù)估計電動機(jī)消耗的電能占據(jù)了全球電能消耗的50%以上。

然而，問題在于絕大部分電動機(jī)都不是非常有效，就像感應(yīng)電動機(jī)、交直流兩用電動機(jī)和不經(jīng)濟(jì)的電動機(jī)械驅(qū)動器那樣效率低下。考慮到環(huán)保、立法和商業(yè)，以及結(jié)合基于電動機(jī)設(shè)備消耗大量的能源，對于工程師來說很有必要找出改善電機(jī)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(fèi)在將熱量泵出冰箱的過程中。傳統(tǒng)的冰箱所配備的單相感應(yīng)電動機(jī)僅以全速工作，當(dāng)(冰箱)內(nèi)部溫度上升到期望的溫度時，壓縮電機(jī)就相應(yīng)啟動；當(dāng)達(dá)到期望的溫度時，電動機(jī)就停止工作?；蛞韵匆聶C(jī)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(diào)為例，它是家庭和辦公室中典型的、最大的電能消費(fèi)者，里面可能有多個電動機(jī)(用于風(fēng)扇和壓縮機(jī))，增加了浪費(fèi)電能的機(jī)會。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(diào)機(jī)的使用量在不過五年之間內(nèi)就增長了大約400%。

變速電動機(jī)控制

這些應(yīng)用的共同點(diǎn)在于通過用基于逆變器的、變速、永磁同步電動機(jī)(PMSM)運(yùn)動控制來替代傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)(AM1)，工程師可以設(shè)計出極高效率的電動機(jī)。提高效率會降低營業(yè)成本，并滿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)生的振動更低；產(chǎn)品的可靠性更高及電動機(jī)的控制更精確。工程師因而能將更多的功能設(shè)計到目標(biāo)應(yīng)用之中。

迄今為止，實(shí)現(xiàn)變速電動機(jī)面臨的挑戰(zhàn)是在不增加系統(tǒng)成本的情況下運(yùn)用電動機(jī)控制技術(shù)。這是個很大的挑戰(zhàn)，因為變速解決方案需要更復(fù)雜精密的驅(qū)動和控制電路。這樣的復(fù)雜性典型地讓許多國內(nèi)OEM無法進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部的開發(fā)。然而，上市時間和成本約束也意味著，購買最新的、預(yù)先封裝的電動機(jī)驅(qū)動并利用系統(tǒng)集成商的做法一般也不能獨(dú)立發(fā)展。因此，在變速電動機(jī)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的過程中，需要降低成本、縮短時間和控制風(fēng)險的新方法。為了滿足這種需求，要采用集成的、基于平臺的電動機(jī)控制技術(shù)，在提供面向特定應(yīng)用的配置靈活性的同時，讓“構(gòu)建模塊”能被組合到實(shí)現(xiàn)變速電動機(jī)驅(qū)動所需要的功能之中。

IR公司用于變速電動機(jī)控制的平臺--稱為iMOTION――為設(shè)計工程師提供了一種不需要位置傳感器的、實(shí)現(xiàn)節(jié)能、變速正弦曲線電流控制的綜合系統(tǒng)級方法。該平臺為設(shè)計工程師提供了配置變速電動機(jī)控制好處所需要的一切。用于空調(diào)機(jī)的iMOTION平臺方案現(xiàn)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(gòu)建模塊

iMOTION平臺構(gòu)建模塊由數(shù)字控制器IC、模擬柵極驅(qū)動器、保護(hù)IC和功率平臺組成，它受到各種易用開發(fā)和支持工具的支持，包括參考設(shè)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)，來仔細(xì)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機(jī)驅(qū)動電路之中。

IRS2136D家族是一系列組合了三相功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器功能的高速、高電壓集成器件，并將綜合保護(hù)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)利用其專有的高壓IC(HVIC)技術(shù)來設(shè)計新器件。對于設(shè)計產(chǎn)品以驅(qū)動MOSFET和IGBT來說，該技術(shù)是比較理想的。柵驅(qū)動輸出的設(shè)計采用了抗閉鎖CMOS電路，該技術(shù)容許將低壓驅(qū)動器與高壓級開關(guān)集成起來，以在單片IC中實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的柵極驅(qū)動器。如圖1所示，在IRS2136D家族的情形下，每一個器件都集成了三個獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)參考輸出溝道，從而為三相應(yīng)用提供全面的解決方案。高壓側(cè)600V半橋逆變器柵驅(qū)動器提供懸浮溝道，該懸浮動溝道的設(shè)計是為了引導(dǎo)工作，以被用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET或IGBT。

每一個高壓側(cè)溝道內(nèi)建的引導(dǎo)二極管起的重要作用是進(jìn)一步減少元件數(shù)量和電路復(fù)雜性。該引導(dǎo)方案適用于大多數(shù)PWM配置，并可被用于與外部引導(dǎo)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)品適用于各種電動機(jī)控制應(yīng)用，包括空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)、通用逆變器和微型/小型逆變器驅(qū)動。

除了它們的驅(qū)動能力，新型IC還提供重要的內(nèi)建保護(hù)功能級，過去該功能需要外部電路來實(shí)現(xiàn)。這種功能包括對所有溝道的欠壓鎖定和能夠自動關(guān)閉6個驅(qū)動器的過流啟動裝置(trip)。欠壓鎖定功能包括自動故障清除功能，而過流故障條件經(jīng)外部RC網(wǎng)絡(luò)編程的一段延遲之后可被自動清除。此外，輸出驅(qū)動器的重要作用是高脈沖電流緩沖級，它的設(shè)計是為了提供交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)，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(qū)動電源范圍是10V到20V，其邏輯輸入與CMOS或輸出低到3.3V的LSTTL兼容。在產(chǎn)品生命期過程中，模擬柵驅(qū)動器都表現(xiàn)出參數(shù)的穩(wěn)定性，而為高壓側(cè)和低壓側(cè)溝道的參數(shù)匹配--如傳播延遲--支持精確的死區(qū)時間插入。分開的電源和信號地連接使得在低壓側(cè)IGBT上設(shè)計用于電流傳感的單DC線配置成為可能。

完成設(shè)計

以空調(diào)設(shè)計為例，圖2中IRS2136D與IR公司的iMOTION平臺一起被安裝在電動機(jī)驅(qū)動電路之中。在此情形下有兩個驅(qū)動器IC，一個用于風(fēng)扇而另一個用于壓縮機(jī)，功率級由IC公司的高效率損耗阻滯溝道IGBT組成。系統(tǒng)核心的是IRMCF312數(shù)字控制器，該控制器結(jié)合了IR公司擁有專利的運(yùn)動控制引擎(MCE)、一個模擬信號引擎(ASE)以及一個應(yīng)用層處理器。MCE除了控制PFC電路之外，要為兩個電動機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的無傳感器PMSM算法，而ASE為單個分流無傳感器控制提供所有的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路。應(yīng)用層處理器獨(dú)立地定義來自MCE的空調(diào)系統(tǒng)的工作。