采用电机控制芯片组降低中国的电器能耗

通过比较750W的永磁电机、SyncRM(同步磁阻电机)、SPM(表面式永磁)电机、及IPM(嵌入式永磁)电机的损耗分析，可以看出嵌入式永磁电机的损耗为感应电机的一半(图2)。
 
图2  比较IM(感应电机)、SyncRM(同步磁阻电机)、SPM(表面式永磁)电机、及IPM(嵌入式永磁)电机的损耗，可以看出永磁电机具有最低的功耗损耗

近年来，传统上采用逆变器的空调以两种方式进行整合。一种是来自日本，主要通过进口现有的日本厂商推出的成品商品；另外一种则是通过中国国内厂商自主开发生产。

日本进口的空调一般采用涡旋式或双螺旋压缩机，这主要是由于日本对低振动与安静运行的需求比经济性要求更高。

这些压缩机成本比单叶回转式压缩机高40%，但后者的震动与噪音较大。这种逆变器调节架构中除了一个单独的风扇逆变器与PFC(功率因数校正)电路外，还采用了先进的32位RISC微控制器来控制压缩机。

由于这种设计成本较高，中国在经过十年的进口后，也没有使之较好的渗入市场。这主要是由于其压缩机非常昂贵及逆变器控制过于复杂造成的。双螺旋压缩机采用开路V/Hz控制、开/关风扇控制，及一个单独PFC的感应电机。尽管这种设计的成本与单叶回转式相差不多，但其提高的能源效率并不能节约足够的电能，普及也受到了限制。

节能的空调室外单元

国际整流器公司(International Rectifier)近期推出了iMOTIONTM集成设计平台，以期解决这种能效问题。利用iMOTIONTM芯片组，可以使用单叶回转式压缩机，并能保证低震动的安静运行。

IRMCF312是一种采用MCE(运动控制引擎)架构的空调控制器，这是一种独特的硬件控制引擎，可提供快速计算算法进行数字PFC控制，并可对嵌入式永磁压缩机电机与风扇电机提供无传感器的正弦位置控制。

设计师通过采用IRMCF312，可免除单独的风扇控制器以及单独的模拟PFC控制功能。这种芯片只需要一个DC-Link(直流链支撑)电流检测分流电阻来为电机实施无传感器FOC(磁场定向控制)，即采用专用的快速模拟电路与一个12位A/D转换器来构建电机的相位电流。因此，控制器并不需要外部有源组件，自身就带有与电机分流电阻直接连接的接口。

为了实现较高的PFC性能，IRMCF312整合了运算放大器，可通过外部电阻直接连接到交流线电压及直流总线电压上。与主要厂家的RISC微控制器相比，IRMCF312在典型的电路结构中去掉了五个外部运算放大器及其相关的采样保持电路。

IRMCF312还可在12ms时间内以64MHz的内部时速进行全面的无传感器正弦FOC计算。IRMCF312还包含一个8位微控制器，以加快对非电机驱动任务进行的计算和控制，如与UART、I2C/SPI、定时器/计数器、采集及数字I/O外设间的排序与通信等(图3)。
 
 图3  IRMCF312控制器芯片中含有一个用于管理应用层代码的8位微控制器，一个双通道MCE来控制空调压缩机与风扇电机，以及一个数字PFC控制器

与传统的DSP或微控制器电机控制器相比，MCE不需要进行代码编写。设计师可利用Matlab/Simulink工具的图形控制模拟编辑器对MCE进行编程。

这种方案与IR2136高压集成电路结合，可实现成本适中的高效室外空调单元设计。该集成电路整合了三个独立的600V半桥逆变器栅极驱动电路，并内置了保护功能，如逆变器过电流触发及欠压锁定，以及自动故障清除功能。这种模拟栅级驱动电路在产品生命周期内具备参数稳定性及参数匹配性，如对高侧及低侧通道的传播延迟、死区时间插入等。单独的电源与信号接地在低侧IGBT实现了单直流线路结构，以进行电流检测。交叉导通保护防止意外击穿电流，提高了逆变器的可靠性。

新的高压集成电路可与IR的各种高效损耗阻滞沟堑IGBT配合工作，其中包括分立与集成的模块。穿通型(PT)与非穿通型(NPT)IGBT相比，沟堑IGBT有较低的放射极饱和电压VCE(ON)和总开关损耗ETS。

 
图4  完整的采用iMOTION空调设计以较低的成本提供了高效的性能
 
图4显示了完整的iMOTIONTM室外空调设计。这处芯片组除去了10多个有源组件(包括一个PFC控制器和一个对高侧接地故障检测的霍尔效应电流传感器)，简化了设计。与传统的方式相比，iMOTION芯片组能够让家电设计师使用较低成本的单叶回转式压缩机与很少的外部组件，更快地开发出高效的空调。

这种整合的PFC控制采用无桥结构，该电路采用MCE的数字PFC算法来控制。压缩机与风扇PWM的工作频率分别为6kHz与18kHz。其380V的直流总线来自于220V的交流输入设备。在4kW的空调中，同时采用这三项控制功能。压缩机采用以5200rpm转速运行的4极嵌入式永磁电机。风扇采用以1000rpm转速运行的表面式永磁电机。IRMCF312在电机控制中不需要位置传感器，只需要在DClink中有一个分流电阻。

根据交流输入和逆变器输出功率测量得出的压缩机-逆变器-加上-PFC的效率数据表明，在压缩机电机0.5~3.5kW的输入功率范围内，该系统可达到94%以上的效率。PFC以20kHz数字计算更新速率、40kHzPWM载波频率在连续电流模式下工作。PFC与压缩机逆变器结合实现的峰值效率超过了95%—与当前市场上多数的高效节能空调相比，提高了5%。