高效制冷——適用于冰箱壓縮機的低功耗電機驅動設計

　　傳統(tǒng)設計方法

　　現(xiàn)在已有的設計方式是測定壓縮機系統(tǒng)，可以在最差的運行條件下，提供所要求的最大制冷性能，如在夏季或考慮開冰箱門的情況。盡管很少會發(fā)生這種最大的極限需求，但是只要它一激活，具有簡單開/關控制的系統(tǒng)就會吸收額定功率。因此，系統(tǒng)消耗能源僅僅是用于保持在大多數(shù)運行條件下所需的溫度。

　　采用具有簡易開關控制的定速壓縮機也會導致相對不穩(wěn)定的箱內(nèi)溫度。這是由于當啟動過大尺寸的壓縮機時，溫度會迅速地降低到所需要的溫度點以下，并且在再次開始快速制冷前，上升到設計的溫度點之上。在關閉狀態(tài)和全速運行之間這種突然的快速轉換也會帶來設備噪聲的明顯變化，從而產(chǎn)生不佳的用戶體驗。

　　節(jié)能等問題

　　采用逆變驅動器的電子壓縮機速度控制，根據(jù)電器的應用模式，通過使壓縮機的速度可調(diào)，可以顯著降低總能耗。例如，在快速制冷時，電機可以在比較短的周期進行全速運行，實現(xiàn)快速制冷，然后，它就會以非常低的速度運行，從而在設置的溫度點下，保持冰箱處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種方法也允許設計者指定一個最大性能相對較低的壓縮機，從而節(jié)約了成本、尺寸和功率。利用一種更先進的變速運行選擇，電器設計者就能夠創(chuàng)建出新產(chǎn)品，通過在開關模式之間更輕柔的轉換，消耗更少的能量，產(chǎn)生更少的噪聲，并通過降低在設置點上下的波動，保持更穩(wěn)定的溫度。

　　控制和電源設計方面的挑戰(zhàn)

　　為了調(diào)節(jié)電機速度，以響應感應到的溫度和其它相關數(shù)據(jù)，如門開/關檢測，可以在逆變器上采用一個數(shù)字信號處理器(DSP)來計算適當?shù)目刂菩盘栆陨呻姍C控制波形。磁場定向控制(FOC)是無刷電機首選的控制技術，而且一般認為它可以提供流暢的轉矩控制，具有低噪聲，速度范圍寬和最小電機損耗等特點。

　　在軟件中，采用一個通用的數(shù)字信號處理器(DSP)或一個數(shù)字信號控制器(DSC)來執(zhí)行FOC算法。一個備用算法是采用集成控制器，在定制化的軟件中，執(zhí)行多數(shù)的電機控制功能。這種方法的優(yōu)勢包括減少了元件數(shù)量、實現(xiàn)了更快的算法執(zhí)行并簡化了設計，而無需控制軟件編碼。

　　國際整流器公司(IR)的iMOTION數(shù)字控制IC采用IR的電機控制引擎(Motor Control Engine)，這是一款硬件IP，能夠在11µs的時間內(nèi)執(zhí)行無傳感器FOC算法。設計者可以利用iMOTION工具和MCE庫來定制電機控制算法。控制器還集成了重要的系統(tǒng)功能，如面向客戶應用、基于8051的微控制器，一個嵌入式模擬信號引擎(Analog Signal Engine)，采用信號調(diào)節(jié)和轉換電流進行單電阻電流檢測的無傳感器控制。

　　為了驅動電機，設計者還必須應對另外一項挑戰(zhàn)，即采用包括高壓柵極驅動器的逆變級、六個功率器件的3相橋、適用于無傳感器控制的電流檢測、以及保護和故障報告電路。采用分立元件執(zhí)行這些功能需要特定的設計技術，并且會導致更長的開發(fā)時間和更高的成本。其它的挑戰(zhàn)還包括管理EMI，以及滿足那些空間占主導地位的小空間應用的需求。

　　智能型功率模塊(IPM)應運而生，幫助工程師解決執(zhí)行與逆變器相關的挑戰(zhàn)。這些器件集成了驅動一個電機所需的所有高端和低端電路。大量的IPM適用于30W至200W功率級的應用。

　　為了給模塊中敏感電子電路和高壓開關器件提供足夠的分離空間，第一代IPM趨向于大的模塊，采用傳統(tǒng)的引線封裝技術，如DIP或SIP封裝。除了它們大的物理尺寸外，相對低的熱性能通常需要一個外加散熱器。這些因素會為空間受限系統(tǒng)中的電機控制器集成設置障礙。而且，增加散熱器會提高對振動和其機械壓力的敏感性。

　　模塊尺寸和熱性能

　　為了克服這些問題，較新的IPM目前正在采用高級功率封裝，如PQFN的優(yōu)勢，以實現(xiàn)更小的尺寸并提高熱效率。IR的µIPMTM系列，采用12 x 12 x 0.9 mm PQFN封裝，與現(xiàn)有的3相IPM相比，占位面積縮小了60%以上。同時，模塊還提供了高絕緣安全性，滿足UL標準中2.3mm的爬距要求，并且提供了1500Vrms的最小絕緣電壓。除了封裝尺寸外，所有變量還共享一個通用的引腳輸出，展示出一個可升級的電源系列，額定的DC電流范圍是2A至4A，電壓范圍為250V至500V。