高能效的家用電器的設(shè)計(jì)

隨著電價(jià)的不斷上漲，對節(jié)能型家用電器的消費(fèi)需求也在增長。不過，節(jié)能特性只是消費(fèi)者在購買洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等新家電時(shí)的一個考慮因素。產(chǎn)品的使用壽命和可靠性也是必須顧及的重要因素，在許多情況下，它們甚至與用電量或用水量同樣重要。顯然，壽命和可靠性常常與家電的品牌密切掛鉤。過去十年間，對更加節(jié)電環(huán)保的家電需求持續(xù)增長。幸運(yùn)的是，這些消費(fèi)需求與環(huán)保要求是一致的。歐洲將通過立法增強(qiáng)環(huán)保工作的力度，并已推出了“耗能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架指令（EuP）”。歐盟提出的這個新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不僅影響了白色商品的設(shè)計(jì)，還影響了各類泵、加熱產(chǎn)品，或者顧名思義，即一般的耗能產(chǎn)品(EuP)的設(shè)計(jì)。

EcoDesign涵蓋了每個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的能耗問題。此外，它還考慮到了產(chǎn)品的整個生命周期成本，包括生產(chǎn)及最終廢棄處理成本。這項(xiàng)指令為制定EcoDesign要求搭建了一個框架，并將強(qiáng)制所有交流電產(chǎn)品制造商執(zhí)行，以提高能效。為了滿足EcoDesign的要求，有不同研究課題對多項(xiàng)強(qiáng)制采用技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。研究明確指出，只有采用變速驅(qū)動的永磁同步馬達(dá)(PMSM)或高效感應(yīng)式馬達(dá)才能夠滿足這些節(jié)能要求。對于負(fù)載可變應(yīng)用和頻繁啟動/停止的情況（通常見于家電），這類驅(qū)動技術(shù)的節(jié)能潛力巨大。不過，并非所有的馬達(dá)應(yīng)用都能夠受益于變速驅(qū)動，尤其是在只需要恒速運(yùn)作時(shí)。

為了滿足高能效家用電器的要求，新技術(shù)是成功關(guān)鍵。PMSM正在順利取代傳統(tǒng)馬達(dá)。圖1所示為一臺洗衣機(jī)的模塊簡圖，家用洗衣機(jī)采用單交流線路供電，其后是所需的功率因數(shù)校正（有源或無源的）。新的馬達(dá)技術(shù)需要變速驅(qū)動，為實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動，設(shè)計(jì)人員一直以來都依賴于分立式IGBT/MOSFET 解決方案，但現(xiàn)在這種傳統(tǒng)方案正逐漸被智能功率模塊（IPM）所取代。由于采用集成式解決方案可帶來某些顯著優(yōu)勢，IPM的運(yùn)用日益廣泛。模塊示意圖中用于驅(qū)動洗滌桶的最近推出的μ-MiniDIP SPM就是一個例子。該器件出色地實(shí)現(xiàn)了3個半橋（圖2）的高度集成，其中整合了自舉二極管、NTC、精細(xì)調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動器和眾多附加保護(hù)功能，如UVLP、SCP及故障輸出。為了降低模塊的能耗，柵極驅(qū)動器的待機(jī)電流減小，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能驅(qū)動。IGBT和驅(qū)動器的精確匹配可確保獲得更高的性能。相比分立式解決方案，其性能變化的可控度大大提高了。此外，這種完全隔離的模塊（39mm×23mm）具有更高的可靠性，因?yàn)樗谋Ｗo(hù)功能部件靠近功率開關(guān)，而且采用低熱阻封裝，可以減少負(fù)載周期的溫度變化。這個新系列產(chǎn)品在“故障率（FIT）”方面堪比分立式IGBT。因此該模塊的可靠性優(yōu)于分立式解決方案。此外，該模塊具有-40℃到+150℃的寬結(jié)溫范圍，因而不僅適合于家用電器，還可用于工業(yè)應(yīng)用。

為了驅(qū)動循環(huán)泵等更小的馬達(dá)，建議在IPM中用MOSFET來取代IGBT。特別是對于小輸出電流應(yīng)用，由于沒有拐點(diǎn)電壓和電流拖尾，MOSFET的損耗比IGBT要低。另外，MOSFET的短路耐受時(shí)間也比同等IGBT高出一個數(shù)量級。因此，MOSFET基本上是低功耗電器的首選解決方案。TinyDIP SPM 模塊就是這類IPM的典型例子，這種集成式MOSFET 解決方案非常適合于泵和風(fēng)扇這種低功耗應(yīng)用，因?yàn)檫@種完全隔離的模塊可以非常靠近馬達(dá)放置。即使該模塊尺寸只有29mm×12mm，帶散熱器情況下的最大可輸出功率高達(dá)200W，這是相同尺寸、基于IGBT的解決方案所無法企及的。為了簡化該IPM 的“取放” 裝配過程，還可以采用SMD 封裝。在許多情況下，采用這種無散熱器的SMD IPM 是首選方案。目前，最大輸出功率被限制在90W左右，但另一方面，PCB的制作得以簡化。以上兩個馬達(dá)驅(qū)動例子都表明，使用IPM更便捷、更快速，并具有更高的靈活性，能夠簡化節(jié)能驅(qū)動產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

即將出臺的歐盟EcoDesign規(guī)范及其對耗能電器的影響，將會大大促進(jìn)高能效驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。由IPM控制的永磁同步馬達(dá)將在實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)方面扮演重要的角色。洗衣機(jī)的例子說明在典型應(yīng)用領(lǐng)域使用IPM能夠簡化設(shè)計(jì)并加快設(shè)計(jì)速度。這些新產(chǎn)品能夠幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)出具有高成本效益并提升整體環(huán)保性能的解決方案。

圖1 洗衣機(jī)的模塊簡圖

圖2 μ-MiniDIP SPM模塊的原理圖