從家庭中常用的冰箱、洗衣機、洗碗機到工廠及加工廠的水泵和風扇、以及辦公室里的空調(diào)系統(tǒng)，中小型電機都需要得到有效的控制。在商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中，我們對電動機的依賴無處不在，據(jù)估計電動機消耗的電能占據(jù)了全球電能消耗的50%以上。
然而，問題在于絕大部分電動機都不是非常有效，就像感應電動機、交直流兩用電動機和不經(jīng)濟的電動機械驅(qū)動器那樣效率低下?？紤]到環(huán)保、立法和商業(yè)，以及結(jié)合基于電動機設備消耗大量的能源，對于工程師來說很有必要找出改善電機效率的方法。
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圖1：IRS2136D系列產(chǎn)品功能方塊圖。 |
以冰箱為例，它大約占家用電能的15%，其中大部分電能被浪費在將熱量泵出冰箱的過程中。傳統(tǒng)的冰箱所配備的單相感應電動機僅以全速工作，當(冰箱)內(nèi)部溫度上升到期望的溫度時，壓縮電機就相應啟動；當達到期望的溫度時，電動機就停止工作。或以洗衣機為例，其中大部分電能被用于加熱大量的水，從而進一步提高效率的辦法可能是減少洗衣期間所需要的用水量。
再以空調(diào)為例，它是家庭和辦公室中典型的、最大的電能消費者，里面可能有多個電動機(用于風扇和壓縮機)，增加了浪費電能的機會。最近特別發(fā)布了相關(guān)的法令以提高周期性能效比(SEER)，在中國這樣的國家中，空調(diào)機的使用量在不過五年之間內(nèi)就增長了大約400%。
變速電動機控制
這些應用的共同點在于通過用基于逆變器的、變速、永磁同步電動機(PMSM)運動控制來替代傳統(tǒng)的感應電動機(AM1)，工程師可以設計出極高效率的電動機。提高效率會降低營業(yè)成本，并滿足了降低用電量的環(huán)保和立法的要求。其它的好處在于：變速解決方案產(chǎn)生更小的聲學噪音和電噪聲；工作產(chǎn)生的振動更低；產(chǎn)品的可靠性更高及電動機的控制更精確。工程師因而能將更多的功能設計到目標應用之中。
迄今為止，實現(xiàn)變速電動機面臨的挑戰(zhàn)是在不增加系統(tǒng)成本的情況下運用電動機控制技術(shù)。這是個很大的挑戰(zhàn)，因為變速解決方案需要更復雜精密的驅(qū)動和控制電路。這樣的復雜性典型地讓許多國內(nèi)OEM無法進行企業(yè)內(nèi)部的開發(fā)。然而，上市時間和成本約束也意味著，購買最新的、預先封裝的電動機驅(qū)動并利用系統(tǒng)集成商的做法一般也不能獨立發(fā)展。因此，在變速電動機設計和實現(xiàn)的過程中，需要降低成本、縮短時間和控制風險的新方法。為了滿足這種需求，要采用集成的、基于平臺的電動機控制技術(shù)，在提供面向特定應用的配置靈活性的同時，讓“構(gòu)建模塊”能被組合到實現(xiàn)變速電動機驅(qū)動所需要的功能之中。
IR公司用于變速電動機控制的平臺--稱為iMOTION——為設計工程師提供了一種不需要位置傳感器的、實現(xiàn)節(jié)能、變速正弦曲線電流控制的綜合系統(tǒng)級方法。該平臺為設計工程師提供了配置變速電動機控制好處所需要的一切。用于空調(diào)機的iMOTION平臺方案現(xiàn)在就可以(從IR)得到，并配備針對家用電器的解決方案。
模擬的構(gòu)建模塊
iMOTION平臺構(gòu)建模塊由數(shù)字控制器IC、模擬柵極驅(qū)動器、保護IC和功率平臺組成，它受到各種易用開發(fā)和支持工具的支持，包括參考設計、基于GUI的編程工具和文件。在此，我們將從最近發(fā)布的IRS2136D家族出發(fā)，來仔細分析該平臺的模擬單元。
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圖2：IRS2136D與iMOTION平臺一起被安裝在電動機驅(qū)動電路之中。 |
IRS2136D家族是一系列組合了三相功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器功能的高速、高電壓集成器件，并將綜合保護能力集成到單顆緊湊器件之中。封裝選項包括28引腳SOIC或PDIP封裝套(doormats)或44引腳PLCC。圖1所示為這些IC提供的功能方塊圖。
IR已經(jīng)利用其專有的高壓IC(HVIC)技術(shù)來設計新器件。對于設計產(chǎn)品以驅(qū)動MOSFET和IGBT來說，該技術(shù)是比較理想的。柵驅(qū)動輸出的設計采用了抗閉鎖CMOS電路，該技術(shù)容許將低壓驅(qū)動器與高壓級開關(guān)集成起來，以在單片IC中實現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的柵極驅(qū)動器。如圖1所示，在IRS2136D家族的情形下，每一個器件都集成了三個獨立的高壓側(cè)和低壓側(cè)參考輸出溝道，從而為三相應用提供全面的解決方案。高壓側(cè)600V半橋逆變器柵驅(qū)動器提供懸浮溝道，該懸浮動溝道的設計是為了引導工作，以被用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET或IGBT。
每一個高壓側(cè)溝道內(nèi)建的引導二極管起的重要作用是進一步減少元件數(shù)量和電路復雜性。該引導方案適用于大多數(shù)PWM配置，并可被用于與外部引導網(wǎng)絡并聯(lián)或取代外部網(wǎng)絡。這種靈活性使得IRS2136D產(chǎn)品適用于各種電動機控制應用，包括空調(diào)機、洗衣機、通用逆變器和微型/小型逆變器驅(qū)動。
除了它們的驅(qū)動能力，新型IC還提供重要的內(nèi)建保護功能級，過去該功能需要外部電路來實現(xiàn)。這種功能包括對所有溝道的欠壓鎖定和能夠自動關(guān)閉6個驅(qū)動器的過流啟動裝置(trip)。欠壓鎖定功能包括自動故障清除功能，而過流故障條件經(jīng)外部RC網(wǎng)絡編程的一段延遲之后可被自動清除。此外，輸出驅(qū)動器的重要作用是高脈沖電流緩沖級，它的設計是為了提供交叉?zhèn)鲗ПＷo，該級防止意外短路并增加了逆變器的可靠性。
新型的IRS2136D所工作的柵驅(qū)動電源范圍是10V到20V，其邏輯輸入與CMOS或輸出低到3.3V的LSTTL兼容。在產(chǎn)品生命期過程中，模擬柵驅(qū)動器都表現(xiàn)出參數(shù)的穩(wěn)定性，而為高壓側(cè)和低壓側(cè)溝道的參數(shù)匹配--如傳播延遲--支持精確的死區(qū)時間插入。分開的電源和信號地連接使得在低壓側(cè)IGBT上設計用于電流傳感的單DC線配置成為可能。
完成設計
以空調(diào)設計為例，圖2中IRS2136D與IR公司的iMOTION平臺一起被安裝在電動機驅(qū)動電路之中。在此情形下有兩個驅(qū)動器IC，一個用于風扇而另一個用于壓縮機，功率級由IC公司的高效率損耗阻滯溝道IGBT組成。系統(tǒng)核心的是IRMCF312數(shù)字控制器，該控制器結(jié)合了IR公司擁有專利的運動控制引擎(MCE)、一個模擬信號引擎(ASE)以及一個應用層處理器。MCE除了控制PFC電路之外，要為兩個電動機執(zhí)行復雜的無傳感器PMSM算法，而ASE為單個分流無傳感器控制提供所有的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路。應用層處理器獨立地定義來自MCE的空調(diào)系統(tǒng)的工作。
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