應用于家電的安森美半導體高能效電機驅(qū)動方案

隨著能源成本上升及消費者對家電節(jié)能意識增強，世界各國政府紛紛出臺更加嚴格的能效標準或高能效激勵措施以提升白家電能效。如美國能源部建議實施新的能效標準以減少電冰箱、空調(diào)和洗衣機的能源使用，某些情況下強制要求能效提升多達35%。日本的能效“領跑者”(Top Runner)項目自實施以來，也大幅提升了空調(diào)及電冰箱的能效要求。

家電中通常要使用多種不同的電機來控制不同功能。電機包括交流(AC)電機和直流(DC)電機。其中DC電機包括有刷直流電機和無刷直流(BLDC)電機。BLDC電機分旋轉(zhuǎn)電機和步進電機，具有顯著的節(jié)能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性，廣泛應用于電冰箱、空調(diào)及洗衣機等家電應用。

設計人員要設計高能效的家電產(chǎn)品，就需要在設計中選擇高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機驅(qū)動/控制方案。安森美半導體積推動高能效創(chuàng)新，提供寬廣陣容的產(chǎn)品及方案。本文將分析家電中的電機應用，并介紹安森美半導體應用于典型家電產(chǎn)品的電機驅(qū)動及控制方案。

家電應用要求及設計挑戰(zhàn)

針對家電中的不同電機應用對電壓及電流范圍的不同要求，安森美半導體提供寬廣陣容的高能效電機驅(qū)動/控制方案，支持最高電壓達600 V，最大電流達50 A。這些電機驅(qū)動器包括4種，分別是12 V BLDC電機驅(qū)動器、24 V BLDC電機驅(qū)動器、3相 BLDC驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機驅(qū)動器。

除了要匹配不同的電壓/電流要求，工程師在家電應用設計的另一共同挑戰(zhàn)是能耗問題。例如，如果風扇驅(qū)動器的電路板內(nèi)置，就會產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來把它冷卻。因此，工程師可能會同時要求高能效及具強力冷卻功能的電機。

圖1：用于家電的電機驅(qū)動器/控制器電壓/電流范圍概覽。

此外，用戶要求家電產(chǎn)品減小電機產(chǎn)生的惱人噪聲，希望有舒適寧請靜的使用體驗。因此，工程師要選擇產(chǎn)生更低噪聲的電機。有些家電如電冰箱，由于用戶的居住空間有限，他們會青睞體積小巧的電冰箱。這趨勢導致工程師采用更小的電機以優(yōu)化占用空間。由于家電要求采用高壓電源來驅(qū)動，耐用性、安全性及可靠性很重要。

用于典型家電應用的電機驅(qū)動器方案

1. 電冰箱

據(jù)統(tǒng)計，高檔電冰箱中使用的電機最多，可能達5個或更多，典型應用包括阻尼器、風扇、制冰機、壓縮機、氣流調(diào)節(jié)及冷卻流泵等。最基礎功能的電冰箱也有壓縮電機和冷卻流泵。較高端的產(chǎn)品使用風扇及阻尼器，利用電機進行氣流調(diào)節(jié)。制冰機可能使用2個電機，一個用于出冰，另一個用于清空制冰托盤。

圖2. 電冰箱中的電機應用

1) 壓縮機驅(qū)動

所有的電冰箱都有壓縮機。最新的壓縮機使用工作電壓為600 V的BLDC電機設計，要求電機驅(qū)動器具有高擊穿電壓、高能效及高可靠性。針對壓縮機電機驅(qū)動應用，建議使用安森美半導體用于3相電機控制的智能功率模塊(IPM)，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A到10 A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A至10A)。

這些IPM使用安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術(IMST®)，在鋁板也就是在金屬基板上搭建電子電路，使多種元件能夠封裝在同一個模塊IC中，包括電阻和電容等分立無源元件、二極管和晶體管等分立有源元件，以及更復雜的IC或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)，如門極驅(qū)動器、數(shù)字信號處理器(DSP)、邏輯元件等。IMST也能使功率輸出電路、控制電路及其外圍電路貼裝在相同基板上。這些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件實現(xiàn)的大電流設計相比，能幫助大幅減少元件數(shù)量，減小電路板占用空間，降低系統(tǒng)總成本，減少散熱及提升可靠性。

圖3：安森美半導體智能功率模塊(IPM)采用IMST將多種元器件封裝為模塊。

2) 自動制冰機驅(qū)動

電冰箱自動制冰機使用有刷電機，一項功能是開啟和關閉用于填充托盤的供應閥，另一項功能是一旦水結冰就翻轉(zhuǎn)托盤。這兩個功能都可以使用H橋電機驅(qū)動器來實現(xiàn)。安森美半導體提供用于自動制冰機電機驅(qū)動的器件包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效和變速控制等關鍵特性。其中，LB1948M是2通道、12 V低飽和電壓驅(qū)動、正向/反向電機驅(qū)動器，采用強固的擊穿設計，在待機模式下的電流消耗為零。LV8548M是單低導通阻抗DMOS驅(qū)動器，勵磁模式包括滿步及半步等，提供不同的步幅調(diào)節(jié);這器件的導通阻抗僅為1 Ω，幫助提升能效;待機模式下的電流消耗同樣為零，提供低能耗工作。

3) 通風電機

對于電冰箱而言，通過風機通風來排熱是重要功能，要求電機驅(qū)動器具有安靜驅(qū)動、高能效及變速控制等特性。安森美半導體提供應用于電冰箱通風的創(chuàng)新、高能效的無傳感器型電機驅(qū)動器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驅(qū)動器。這些驅(qū)動器能夠提供低能耗及低振動的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機尺寸。軟啟動功能使它們能夠穩(wěn)定地安靜啟動。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開關功能實現(xiàn)極為安靜的電機工作。此外，鎖保護功能用于在電機異常停轉(zhuǎn)時關閉輸出，因而保護驅(qū)動器。

圖4：安森美半導體用于電冰箱的電機驅(qū)動及其它產(chǎn)品陣容。

4) 阻尼器

阻尼器用于起緩沖作用，當作用點運動很慢時，幾乎沒有阻力，而在作用點運動較快時阻力就明顯增大，廣泛用于電冰箱和洗衣機等應用。安森美半導體用于電冰箱阻尼器的電機驅(qū)動器包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效、低待機電流及變速控制等關鍵特性。

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