適用于超低溫冷柜的BLDC電機(jī)解決方案
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引言
一些疫苗對溫度變化高度敏感，從開始生產(chǎn)到給患者注射前都必須在超低溫（ULT）下進(jìn)行儲存。例如，一些疫苗最初需要超低溫儲存，儲存溫度要保持在-60 °C（-76 °F）以下。在制造工廠和相關(guān)的倉庫中保持這樣的溫度并不困難。但是，在疫苗被運(yùn)輸?shù)椒职l(fā)地點(diǎn)然后到達(dá)接種者的過程中維持這種超低溫度非常困難，并且成本很高。
術(shù)語“冷鏈”指的是運(yùn)輸溫度變化超出規(guī)定范圍就會變質(zhì)或損壞的產(chǎn)品或材料的供應(yīng)鏈。許多食品、化學(xué)品和藥品都需要有嚴(yán)格控制的“冷鏈”物流。深度溫控供應(yīng)鏈中比較難的就是“最后一公里”的問題。對于需要在極低溫度下進(jìn)行儲存的疫苗，在世界各地的每個(gè)疫苗接種點(diǎn)或附近區(qū)域都需要昂貴且技術(shù)復(fù)雜的超低溫冷柜。
超低溫冷柜工作原理
一個(gè)使用單級壓縮機(jī)制冷循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)短期儲藏冷柜通常只能達(dá)到-20 °C的溫度。而超低溫（ULT）冷柜采用多級壓縮機(jī)，并采用復(fù)疊式制冷循環(huán)。大多數(shù)超低溫冷柜使用兩級壓縮機(jī)，可達(dá)到低至-86 °C的溫度。
圖1 兩級復(fù)疊式制冷循環(huán)原理圖
冷藏/冷柜壓縮機(jī)是一種用于壓縮冷凝器盤管中的制冷劑的設(shè)備，其工作屬于制冷過程中的一部分。這種壓縮過程會增加壓力并產(chǎn)生熱量，所發(fā)熱量要從制冷劑中帶走。蒸發(fā)器盤管中的壓力要低得多，從而引發(fā)蒸發(fā)過程（這就是冷柜內(nèi)部溫度降低的原因）。蒸發(fā)是一個(gè)吸熱過程，所以該過程會吸收熱量。因此，壓縮機(jī)被比作制冷系統(tǒng)的“心臟”。
制冷壓縮機(jī)通常是使用簡單且廉價(jià)的感應(yīng)電機(jī)來完成壓縮工作的。為了在不同溫度下提供相應(yīng)的制冷效果，超低溫冷柜中的制冷劑會有所不同。但壓縮機(jī)通常是兩臺基于感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
超低溫冷柜所面臨的瓶頸
在超低溫冷柜中使用這些基于感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)存在一些困難。比較大的一個(gè)難題就是效率低。感應(yīng)電機(jī)的效率相當(dāng)?shù)停ㄍǔ＜s為70%以下），這會使它們產(chǎn)生熱量。制冷系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)的所有發(fā)熱量都需要通過制冷循環(huán)過程從系統(tǒng)中帶走。這就意味著制冷系統(tǒng)所做的部分工作只是帶走系統(tǒng)的自發(fā)熱量，而不是帶走冷藏柜的熱量。
圖2 感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)和效率
感應(yīng)電機(jī)的另一個(gè)問題是功率因數(shù)。感應(yīng)電機(jī)反應(yīng)靈敏，其可憐的功率因數(shù)還會隨負(fù)載的變化而變化。在理想環(huán)境條件和理想負(fù)載條件下，也僅能達(dá)到理想功率因數(shù)的90%左右。這意味著感應(yīng)電機(jī)從線路中獲取的視在功率要高于施加于負(fù)載的實(shí)際功率。在某些司法管轄區(qū)，包括歐盟和日本（根據(jù)IEC61000-3-2），法律要求有功率因數(shù)校正電路來維持電力傳輸平衡。
無刷直流電機(jī)可成為解決方案
無刷直流（BLDC）電機(jī)在一些關(guān)鍵性的原理方面與感應(yīng)電機(jī)不同。顯著的一點(diǎn)是，無刷直流電機(jī)由直流電壓驅(qū)動(dòng)，而感應(yīng)電機(jī)則由交流電壓驅(qū)動(dòng)。感應(yīng)電機(jī)具有用于產(chǎn)生磁場的線圈，而BLDC電機(jī)使用的則是永磁體。感應(yīng)電機(jī)易于控制（只要通電就可以了），而無刷直流電機(jī)則需要更復(fù)雜的電子控制。由于這些差異，BLDC電機(jī)解決方案的實(shí)施成本高于感應(yīng)電機(jī)解決方案。
圖3 感應(yīng)電機(jī)與BLDC電機(jī)
由于成本高以及實(shí)施技術(shù)復(fù)雜，BLDC電機(jī)尚未用于超低溫冷柜的壓縮機(jī)中。但是一些用于新空調(diào)的壓縮機(jī)已經(jīng)驗(yàn)證了這項(xiàng)理念的可行性。ROHM集團(tuán)的先進(jìn)技術(shù)和市場條件日益變化都預(yù)示著BLDC壓縮機(jī)在超低溫冷柜中的應(yīng)用也許已經(jīng)到了可以一展身手的時(shí)候。
在超低溫冷柜中使用基于無刷直流電機(jī)的壓縮機(jī)將會帶來與額外成本對等的效益。此外，隨著近年來技術(shù)的進(jìn)步，控制BLDC電機(jī)解決方案的成本和復(fù)雜性都得到了顯著改善。
ROHM擁有行業(yè)先進(jìn)的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案系列，包括可將其嵌入設(shè)計(jì)中來實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)控制的DIP模塊。此外，ROHM的BLDC電機(jī)控制專家隨時(shí)可以為突破這一瓶頸提供支持。
使用BLDC壓縮機(jī)設(shè)計(jì)超低溫冷柜的優(yōu)勢
在新的超低溫冰柜設(shè)計(jì)中使用基于BLDC的壓縮機(jī)的好處是電源效率提高、自發(fā)熱量降低、功率因數(shù)校正。BLDC電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為物理做功方面比感應(yīng)電機(jī)更高效。BLDC電機(jī)產(chǎn)生的熱量顯著降低，因此制冷系統(tǒng)中進(jìn)入的熱量更少，從而可實(shí)現(xiàn)更高效的冷卻。BLDC電機(jī)可以通過使用功率因數(shù)校正技術(shù)使其在功率因數(shù)為1的情況下運(yùn)行，從而降低視在功率的損耗。
消除重要應(yīng)用中的低效問題
在壓縮機(jī)中使用感應(yīng)電機(jī)時(shí)會使效率降低，而在超低溫冷柜中使用兩個(gè)感應(yīng)電機(jī)更會使效率指數(shù)級下降。從功率和制熱/制冷循環(huán)的角度來看，其效率是比較低的。無刷直流電機(jī)提供了一種令人驚喜的解決方案，但是需要付出一些額外的成本，并且技術(shù)復(fù)雜性也有所增加。但是基于BLDC的壓縮機(jī)所帶來的能效和合規(guī)性，可以抵消掉這部分額外的成本。ROHM可以提供豐富的BLDC電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品組合和BLDC電機(jī)控制專業(yè)知識，以幫助解決技術(shù)復(fù)雜性高的問題。將感應(yīng)電機(jī)替換為BLDC電機(jī)在效率方面具有優(yōu)勢。然而，這增加了成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。ROHM擁有針對BLDC電機(jī)的解決方案，使復(fù)雜設(shè)計(jì)處理易如反掌。
圖4 ROHM BLDC電機(jī)解決方案參考設(shè)計(jì)
如圖4所示，ROHM參考設(shè)計(jì)可以幫助用戶構(gòu)建具有卓越能效的超低溫冷柜。
無論用戶選擇集成度超高的ROHM IGBT IPM系列，還是希望通過分立元器件得到理想性價(jià)比的產(chǎn)品，都可以使用IGBT、MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器來協(xié)同工作。這可以使您構(gòu)建出具有低功耗和較小因數(shù)的運(yùn)行系統(tǒng)。
ROHM IGBT IPM系列具有優(yōu)異的電源管理系統(tǒng)，是高集成度超低溫冷柜的理想解決方案。
BM6437x系列，600 V IGBT IPM，通過利用內(nèi)置IGBT特性和內(nèi)部FRD在高功率下的軟恢復(fù)特性，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)先進(jìn)的低噪聲特性。
當(dāng)布局靈活性和熱性能優(yōu)化成為主要考量因素時(shí)，ROHM Field Stop Trench IGBT、RGT/RGS系列或SiC MOSFET、SCT系列是理想選擇。這些分立元器件可以與合適的柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合使用。
在電源方面，ROHM隔離型AC/DC系列可以提供更高的性能和穩(wěn)定性。
 | IGBT IPM BM6437x 系列 |
| RGT/RGS 系列 SiC MOSFETs SCT 系列 |
| 柵極驅(qū)動(dòng) BM61M41RFV-C, BM60212FV-C 等 |   | BM1PxxFJ, BM2Pxx 等 |
為了幫助用戶在更大程度地減少設(shè)計(jì)工作量的前提下實(shí)現(xiàn)理想性能，ROHM可以基于豐富的經(jīng)驗(yàn)在用戶的開發(fā)過程中提供全面的應(yīng)用支持。
總結(jié)
現(xiàn)在，是時(shí)候該認(rèn)真考慮超低溫冰柜的BLDC壓縮機(jī)設(shè)計(jì)了。基于BLDC的超低溫冷柜已是預(yù)備未來不時(shí)之需亟需加強(qiáng)的工作之一，ROHM已準(zhǔn)備好與愿意直面這項(xiàng)挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)工程師的合作。
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