采用電機控制芯片組降低中國的電器能耗

通過比較750W的永磁電機、SyncRM(同步磁阻電機)、SPM(表面式永磁)電機、及IPM(嵌入式永磁)電機的損耗分析，可以看出嵌入式永磁電機的損耗為感應電機的一半(圖2)。
 
圖2  比較IM(感應電機)、SyncRM(同步磁阻電機)、SPM(表面式永磁)電機、及IPM(嵌入式永磁)電機的損耗，可以看出永磁電機具有最低的功耗損耗

近年來，傳統上采用逆變器的空調以兩種方式進行整合。一種是來自日本，主要通過進口現有的日本廠商推出的成品商品；另外一種則是通過中國國內廠商自主開發生產。

日本進口的空調一般采用渦旋式或雙螺旋壓縮機，這主要是由于日本對低振動與安靜運行的需求比經濟性要求更高。

這些壓縮機成本比單葉回轉式壓縮機高40%，但后者的震動與噪音較大。這種逆變器調節架構中除了一個單獨的風扇逆變器與PFC(功率因數校正)電路外，還采用了先進的32位RISC微控制器來控制壓縮機。

由于這種設計成本較高，中國在經過十年的進口后，也沒有使之較好的滲入市場。這主要是由于其壓縮機非常昂貴及逆變器控制過于復雜造成的。雙螺旋壓縮機采用開路V/Hz控制、開/關風扇控制，及一個單獨PFC的感應電機。盡管這種設計的成本與單葉回轉式相差不多，但其提高的能源效率并不能節約足夠的電能，普及也受到了限制。

節能的空調室外單元

國際整流器公司(International Rectifier)近期推出了iMOTIONTM集成設計平臺，以期解決這種能效問題。利用iMOTIONTM芯片組，可以使用單葉回轉式壓縮機，并能保證低震動的安靜運行。

IRMCF312是一種采用MCE(運動控制引擎)架構的空調控制器，這是一種獨特的硬件控制引擎，可提供快速計算算法進行數字PFC控制，并可對嵌入式永磁壓縮機電機與風扇電機提供無傳感器的正弦位置控制。

設計師通過采用IRMCF312，可免除單獨的風扇控制器以及單獨的模擬PFC控制功能。這種芯片只需要一個DC-Link(直流鏈支撐)電流檢測分流電阻來為電機實施無傳感器FOC(磁場定向控制)，即采用專用的快速模擬電路與一個12位A/D轉換器來構建電機的相位電流。因此，控制器并不需要外部有源組件，自身就帶有與電機分流電阻直接連接的接口。

為了實現較高的PFC性能，IRMCF312整合了運算放大器，可通過外部電阻直接連接到交流線電壓及直流總線電壓上。與主要廠家的RISC微控制器相比，IRMCF312在典型的電路結構中去掉了五個外部運算放大器及其相關的采樣保持電路。

IRMCF312還可在12ms時間內以64MHz的內部時速進行全面的無傳感器正弦FOC計算。IRMCF312還包含一個8位微控制器，以加快對非電機驅動任務進行的計算和控制，如與UART、I2C/SPI、定時器/計數器、采集及數字I/O外設間的排序與通信等(圖3)。
 
 圖3  IRMCF312控制器芯片中含有一個用于管理應用層代碼的8位微控制器，一個雙通道MCE來控制空調壓縮機與風扇電機，以及一個數字PFC控制器

與傳統的DSP或微控制器電機控制器相比，MCE不需要進行代碼編寫。設計師可利用Matlab/Simulink工具的圖形控制模擬編輯器對MCE進行編程。

這種方案與IR2136高壓集成電路結合，可實現成本適中的高效室外空調單元設計。該集成電路整合了三個獨立的600V半橋逆變器柵極驅動電路，并內置了保護功能，如逆變器過電流觸發及欠壓鎖定，以及自動故障清除功能。這種模擬柵級驅動電路在產品生命周期內具備參數穩定性及參數匹配性，如對高側及低側通道的傳播延遲、死區時間插入等。單獨的電源與信號接地在低側IGBT實現了單直流線路結構，以進行電流檢測。交叉導通保護防止意外擊穿電流，提高了逆變器的可靠性。

新的高壓集成電路可與IR的各種高效損耗阻滯溝塹IGBT配合工作，其中包括分立與集成的模塊。穿通型(PT)與非穿通型(NPT)IGBT相比，溝塹IGBT有較低的放射極飽和電壓VCE(ON)和總開關損耗ETS。

 
圖4  完整的采用iMOTION空調設計以較低的成本提供了高效的性能
 
圖4顯示了完整的iMOTIONTM室外空調設計。這處芯片組除去了10多個有源組件(包括一個PFC控制器和一個對高側接地故障檢測的霍爾效應電流傳感器)，簡化了設計。與傳統的方式相比，iMOTION芯片組能夠讓家電設計師使用較低成本的單葉回轉式壓縮機與很少的外部組件，更快地開發出高效的空調。

這種整合的PFC控制采用無橋結構，該電路采用MCE的數字PFC算法來控制。壓縮機與風扇PWM的工作頻率分別為6kHz與18kHz。其380V的直流總線來自于220V的交流輸入設備。在4kW的空調中，同時采用這三項控制功能。壓縮機采用以5200rpm轉速運行的4極嵌入式永磁電機。風扇采用以1000rpm轉速運行的表面式永磁電機。IRMCF312在電機控制中不需要位置傳感器，只需要在DClink中有一個分流電阻。

根據交流輸入和逆變器輸出功率測量得出的壓縮機-逆變器-加上-PFC的效率數據表明，在壓縮機電機0.5~3.5kW的輸入功率范圍內，該系統可達到94%以上的效率。PFC以20kHz數字計算更新速率、40kHzPWM載波頻率在連續電流模式下工作。PFC與壓縮機逆變器結合實現的峰值效率超過了95%—與當前市場上多數的高效節能空調相比，提高了5%。