隨著消費(fèi)者的節(jié)能環(huán)保觀念越來越強(qiáng)，對高能效家電產(chǎn)品的需求也越來越多。尤其在各國政府頒布新的白家電能效標(biāo)準(zhǔn)之后,，家電行業(yè)的準(zhǔn)入門檻大幅提高，提高家電產(chǎn)品能效的需求越來越迫切,。如何設(shè)計高能效家電產(chǎn)品已經(jīng)成為家電廠商亟需解決的問題。
家電中通常要使用多種不同的電機(jī)來控制不同功能,。電機(jī)包括交流(AC)電機(jī)和直流(DC)電 機(jī),。其中DC電機(jī)包括有刷直流電機(jī)和無刷直流(BLDC)電機(jī)。BLDC電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī),，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(yīng) 用于電冰箱,、空調(diào)及洗衣機(jī)等家電應(yīng)用,。
設(shè)計人員要設(shè)計高能效的家電產(chǎn)品，就需要在設(shè)計中選擇高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動/控制方案,。安森美半導(dǎo)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(jī)應(yīng)用,，并介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于典型家電產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動及控制方案,。
家電應(yīng)用要求及設(shè)計挑戰(zhàn)
針對家電中的不同電機(jī)應(yīng)用對電壓及電流范圍的不同要求，安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的高能效電機(jī) 驅(qū)動/控制方案,，支持最高電壓達(dá)600 V,，最大電流達(dá)50 A。這些電機(jī)驅(qū)動器包括4種,，分別是12 V BLDC電機(jī)驅(qū)動器,、24 V BLDC電機(jī)驅(qū)動器,、3相 BLDC驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達(dá)240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機(jī)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(yīng)用設(shè)計的另一共同挑戰(zhàn)是能耗問題,。例如，如果風(fēng)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(qiáng)力冷卻功能的電機(jī),。
圖1：用于家電的電機(jī)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(jī)產(chǎn)生的惱人噪聲,，希望有舒適寧靜的使用體驗(yàn),。因此，工程師要選 擇產(chǎn)生更低噪聲的電機(jī),。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(dǎo)致工程師采用更小的電機(jī)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(yīng)用的電機(jī)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(jī)最多,，可能達(dá)5個或更多，典型應(yīng)用包括阻尼器,、風(fēng)扇,、制冰機(jī)、 壓縮機(jī),、氣流調(diào)節(jié)及冷卻流泵等,。最基礎(chǔ)功能的電冰箱也有壓縮電機(jī)和冷卻流泵。較高端的產(chǎn)品使用風(fēng)扇及阻尼器,，利用電機(jī)進(jìn)行氣流調(diào)節(jié),。制冰機(jī)可能使用2個電 機(jī)，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(jī)應(yīng)用
1) 壓縮機(jī)驅(qū)動
所有的電冰箱都有壓縮機(jī)。最新的壓縮機(jī)使用工作電壓為600 V的BLDC電機(jī)設(shè)計,，要求電機(jī)驅(qū)動器具有高擊穿電壓,、高能效及高可靠性,。針對壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，建議使用安森美半導(dǎo)體用于3相電機(jī)控制的智能功率模塊 (IPM),，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A),、STK531U369A-E (10A) 和STK531U394A-E (15 A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A) 和 STK534U342C-E(5A),。
這些IPM使用安森美半導(dǎo)體獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(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(fù)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(shí)現(xiàn)的大電流設(shè)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(dǎo)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(jī)驅(qū)動
電冰箱自動制冰機(jī)使用有刷電機(jī)，一項(xiàng)功能是開啟和關(guān)閉用于填充托盤的供應(yīng)閥,，另一項(xiàng)功能是一旦 水結(jié)冰就翻轉(zhuǎn)托盤,。這兩個功能都可以使用H橋電機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體提供用于自動制冰機(jī)電機(jī)驅(qū)動的器件包括LB1948MC和LV8548MC 等,。這些器件提供高擊穿電壓,、高能效和變速控制等關(guān)鍵特性。其中,，LB1948MC是2通道,、12 V低飽和電壓驅(qū)動、正向/反向電機(jī)驅(qū)動器,，采用強(qiáng)固的擊穿設(shè)計,，在待機(jī)模式下的電流消耗為零。LV8548MC是單低導(dǎo)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(dǎo)通阻抗僅為1 Ω，幫助提升能效,；待機(jī)模式下的電流消耗同樣為零,，提供低能耗工作。
3) 通風(fēng)電機(jī)
對于電冰箱而言,，通過風(fēng)機(jī)通風(fēng)來排熱是重要功能,，要求電機(jī)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(dǎo)體提供應(yīng)用于電冰箱通風(fēng)的創(chuàng)新,、高能效的無傳感器型電機(jī)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(jī)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(guān)功能實(shí)現(xiàn)極為安靜的電機(jī)工作,。此外，鎖保護(hù)功能用于在電機(jī)異常停轉(zhuǎn)時關(guān)閉輸出,，因而保護(hù)驅(qū)動器。
圖4：安森美半導(dǎo)體用于電冰箱的電機(jī)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(dāng)作用點(diǎn)運(yùn)動很慢時，幾乎沒有阻力,，而在作用點(diǎn)運(yùn)動較快時阻力就明顯增 大,，廣泛用于電冰箱和洗衣機(jī)等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體用于電冰箱阻尼器的電機(jī)驅(qū)動器包括LB1948MC和LV8548MC等,。這些器件提供高擊穿電壓,、高能 效、低待機(jī)電流及變速控制等關(guān)鍵特性,。
2. 空調(diào)
常見的房間空調(diào)包括室內(nèi)機(jī)及室外機(jī)等不同組成部分,。空調(diào)室內(nèi)機(jī)通常使用2個電機(jī),，其中1個用于風(fēng)扇,，另一個用于百葉窗，以控制房間內(nèi)的氣流；室外機(jī)通常使用3個電機(jī),，用于壓縮機(jī),、風(fēng)扇及閥。更高端型號還有輔助風(fēng)扇,。
1) 直流風(fēng)扇電機(jī)
室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)都會用到直流風(fēng)扇,，需要驅(qū)動3相BLDC風(fēng)扇電機(jī)。風(fēng)扇電機(jī)的驅(qū)動電壓可達(dá) 250 V,，設(shè)計要求采用600 V器件,，以確保足夠強(qiáng)固，能夠處理噪聲尖峰問題,。其中,，室內(nèi)機(jī)使用1.0 A的風(fēng)扇。較大的分體式空調(diào)則使用2.0 A風(fēng)扇,。室外機(jī)使用3.0 A的風(fēng)扇,。
圖5：空調(diào)中的電機(jī)應(yīng)用。
安森美半導(dǎo)體為直流風(fēng)扇電機(jī)提供由LV8136V預(yù)驅(qū)動器IC和STK611-7xx或 STK5C4系列三相風(fēng)扇電機(jī)混合集成電路(HIC)構(gòu)成的驅(qū)動方案,。此方案提供高壓,、大電流(1 A/2 A/3 A)驅(qū)動，能效高,，工作安靜,，元器件數(shù)量少，集成多種保護(hù)特性,，提供更高可靠性,。省電模式還使待機(jī)電流幾乎為零。
2) 用于壓縮電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)的IPM
安森美半導(dǎo)體為空調(diào)的壓縮電機(jī)及風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動提供STK551-xxx系列,、STK554- xxx系列和STK5C4Uxxx系列的3相變頻器IPM,，以及結(jié)合升壓功率因數(shù)校正(PFC)和3相變頻器的STK57F-3xx系列二合一IPM產(chǎn) 品，提供多種應(yīng)用優(yōu)勢,。以STK57F-3xx系列IPM產(chǎn)品為例,，由于將PFC和3相變頻器合二為一，不僅提供高能效電路,，還大幅減少元器件數(shù)量,，節(jié)省 PCB占用空間，縮短開發(fā)時間,，降低組裝成本,，加快上市進(jìn)程。
圖6. 安森美半導(dǎo)體用于空調(diào)的二合一變頻器智能功率模塊(IPM),。
3. 洗衣機(jī)及烘干機(jī)
洗衣機(jī)要求采用電機(jī)來驅(qū)動筒,、水泵以及各種泵，烘干機(jī)需要電機(jī)來驅(qū)動筒及鼓風(fēng)機(jī)。
圖7. 洗衣機(jī)/烘干機(jī)中的電機(jī)應(yīng)用,。
1) 筒驅(qū)動
在洗衣機(jī)內(nèi)部,，筒驅(qū)動器是最大的電機(jī)，通常電流在10 A范圍,。安森美半導(dǎo)體用于3相BLDC電機(jī)驅(qū)動器的IPM是用于筒驅(qū)動的最先進(jìn)產(chǎn)品系列,，符合高能效、安靜驅(qū)動,、極佳散熱,、強(qiáng)固及可靠工作等要求。這些IPM包括單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A),、 STK531U369A-E (10 A) 和 STK531U394A-E (15 A)以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和 STK534U342C-E(5A),。
2) 供水及排水泵
供水及排水泵要求高能效及變速驅(qū)動等關(guān)鍵特性。安森美半導(dǎo)體的LB11920和LB1975采用直接PWM控制,，提供高能效,，用于這類三相BLDC電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。這些器件的PWM占空比能夠采用IC輸入來控制,，適合從9.5 V至30 V的寬工作電壓范圍,。
3) 阻尼器
洗衣及烘干機(jī)應(yīng)用中，阻尼器上要有一個電機(jī)來控制烘干機(jī)的氣流,。此阻尼器的關(guān)鍵要求跟電冰箱阻 尼器相同,，推薦使用LB1948MC、LB1909MC,、LV8548MC和LV8549MC等高能效電機(jī)驅(qū)動器IC,。以LB1948MC為例，這器件易 于設(shè)計,，待機(jī)電流幾乎為零,。
4) 直流風(fēng)扇
洗衣及烘干機(jī)中的鼓風(fēng)機(jī)跟空調(diào)應(yīng)用類似，建議使用LV8136V,。這是一款PWM系統(tǒng)預(yù)驅(qū)動器IC,，用于驅(qū)動3相無刷直流電機(jī),。由于采用PWM驅(qū)動,，這IC提供優(yōu)化的能效及低噪聲。
總結(jié)：
安森美半導(dǎo)體積極推動高能效創(chuàng)新,，提供應(yīng)用于家電的完整方案,，包括電源、電機(jī)驅(qū)動,、用戶接口,、 通信、測量等。本文重點(diǎn)介紹了安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于電冰箱,、空調(diào),、烘干及洗衣機(jī)等家電的電機(jī)驅(qū)動及控制器以及高集成度的智能功率模塊(IPM)方案，幫助設(shè) 計人員針對具體應(yīng)用選擇適合的產(chǎn)品,，設(shè)計出高能效,、高可靠性及靜音工作的家電。
供稿：安森美半導(dǎo)體
參考資料：
1,、《白家電方案小冊子》,，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8083CN-D.PDF，安森美半導(dǎo)體
2,、《安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)系列》,，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND6031-D.PDF，安森美半導(dǎo)體
3,、《安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于白家電的變頻器智能功率模塊(IPM)技術(shù)及方案》,，安森美半導(dǎo)體
4、《安森美半導(dǎo)體用于白家電應(yīng)用的無刷直流(BLDC)電機(jī)驅(qū)動及控制方案》,，安森美半導(dǎo)體
5,、安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站消費(fèi)應(yīng)用專區(qū)，www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15080