基于平台的变速电动机方案开发

基于平台的变速电动机方案开发

从家庭中常用的冰箱、洗衣机、洗碗机到工厂及加工厂的水泵和风扇、以及办公室里的空调系统，中小型电机都需要得到有效的控制。在商业、工业和家庭环境中，我们对电动机的依赖无处不在，据估计电动机消耗的电能占据了全球电能消耗的50%以上。
然而，问题在于绝大部分电动机都不是非常有效，就像感应电动机、交直流两用电动机和不经济的电动机械驱动器那样效率低下。考虑到环保、立法和商业，以及结合基于电动机设备消耗大量的能源，对于工程师来说很有必要找出改善电机效率的方法。
以冰箱为例，它大约占家用电能的15%，其中大部分电能被浪费在将热量泵出冰箱的过程中。传统的冰箱所配备的单相感应电动机仅以全速工作，当(冰箱)内部温度上升到期望的温度时，压缩电机就相应启动；当达到期望的温度时，电动机就停止工作。或以洗衣机为例，其中大部分电能被用于加热大量的水，从而进一步提高效率的办法可能是减少洗衣期间所需要的用水量。
再以空调为例，它是家庭和办公室中典型的、最大的电能消费者，里面可能有多个电动机(用于风扇和压缩机)，增加了浪费电能的机会。最近特别发布了相关的法令以提高周期性能效比(SEER)，在中国这样的国家中，空调机的使用量在不过五年之间内就增长了大约400%。
变速电动机控制
这些应用的共同点在于通过用基于逆变器的、变速、永磁同步电动机(PMSM)运动控制来替代传统的感应电动机(AM1)，工程师可以设计出极高效率的电动机。提高效率会降低营业成本，并满足了降低用电量的环保和立法的要求。其它的好处在于：变速解决方案产生更小的声学噪音和电噪声；工作产生的振动更低；产品的可靠性更高及电动机的控制更精确。工程师因而能将更多的功能设计到目标应用之中。
迄今为止，实现变速电动机面临的挑战是在不增加系统成本的情况下运用电动机控制技术。这是个很大的挑战，因为变速解决方案需要更复杂精密的驱动和控制电路。这样的复杂性典型地让许多国内OEM无法进行企业内部的开发。然而，上市时间和成本约束也意味着，购买最新的、预先封装的电动机驱动并利用系统集成商的做法一般也不能独立发展。因此，在变速电动机设计和实现的过程中，需要降低成本、缩短时间和控制风险的新方法。为了满足这种需求，要采用集成的、基于平台的电动机控制技术，在提供面向特定应用的配置灵活性的同时，让“构建模块”能被组合到实现变速电动机驱动所需要的功能之中。
IR公司用于变速电动机控制的平台--称为iMOTION——为设计工程师提供了一种不需要位置传感器的、实现节能、变速正弦曲线电流控制的综合系统级方法。该平台为设计工程师提供了配置变速电动机控制好处所需要的一切。用于空调机的iMOTION平台方案现在就可以(从IR)得到，并配备针对家用电器的解决方案。
模拟的构建模块
iMOTION平台构建模块由数字控制器IC、模拟栅极驱动器、保护IC和功率平台组成，它受到各种易用开发和支持工具的支持，包括参考设计、基于GUI的编程工具和文件。在此，我们将从最近发布的IRS2136D家族出发，来仔细分析该平台的模拟单元。

IRS2136D家族是一系列组合了三相功率MOSFET和IGBT驱动器功能的高速、高电压集成器件，并将综合保护能力集成到单颗紧凑器件之中。封装选项包括28引脚SOIC或PDIP封装套(doormats)或44引脚PLCC。图1所示为这些IC提供的功能方块图。
IR已经利用其专有的高压IC(HVIC)技术来设计新器件。对于设计产品以驱动MOSFET和IGBT来说，该技术是比较理想的。栅驱动输出的设计采用了抗闭锁CMOS电路，该技术容许将低压驱动器与高压级开关集成起来，以在单片IC中实现高压侧和低压侧的栅极驱动器。如图1所示，在IRS2136D家族的情形下，每一个器件都集成了三个独立的高压侧和低压侧参考输出沟道，从而为三相应用提供全面的解决方案。高压侧600V半桥逆变器栅驱动器提供悬浮沟道，该悬浮动沟道的设计是为了引导工作，以被用于驱动N沟道功率MOSFET或IGBT。
每一个高压侧沟道内建的引导二极管起的重要作用是进一步减少元件数量和电路复杂性。该引导方案适用于大多数PWM配置，并可被用于与外部引导网络并联或取代外部网络。这种灵活性使得IRS2136D产品适用于各种电动机控制应用，包括空调机、洗衣机、通用逆变器和微型/小型逆变器驱动。
除了它们的驱动能力，新型IC还提供重要的内建保护功能级，过去该功能需要外部电路来实现。这种功能包括对所有沟道的欠压锁定和能够自动关闭6个驱动器的过流启动装置(trip)。欠压锁定功能包括自动故障清除功能，而过流故障条件经外部RC网络编程的一段延迟之后可被自动清除。此外，输出驱动器的重要作用是高脉冲电流缓冲级，它的设计是为了提供交叉传导保护，该级防止意外短路并增加了逆变器的可靠性。
新型的IRS2136D所工作的栅驱动电源范围是10V到20V，其逻辑输入与CMOS或输出低到3.3V的LSTTL兼容。在产品生命期过程中，模拟栅驱动器都表现出参数的稳定性，而为高压侧和低压侧沟道的参数匹配--如传播延迟--支持精确的死区时间插入。分开的电源和信号地连接使得在低压侧IGBT上设计用于电流传感的单DC线配置成为可能。
完成设计
以空调设计为例，图2中IRS2136D与IR公司的iMOTION平台一起被安装在电动机驱动电路之中。在此情形下有两个驱动器IC，一个用于风扇而另一个用于压缩机，功率级由IC公司的高效率损耗阻滞沟道IGBT组成。系统核心的是IRMCF312数字控制器，该控制器结合了IR公司拥有专利的运动控制引擎(MCE)、一个模拟信号引擎(ASE)以及一个应用层处理器。MCE除了控制PFC电路之外，要为两个电动机执行复杂的无传感器PMSM算法，而ASE为单个分流无传感器控制提供所有的信号调理和转换电路。应用层处理器独立地定义来自MCE的空调系统的工作。

参考文献:

[1]. IRS2136D datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/IRS2136D_1699413.html.
[2]. SOIC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SOIC_1182477.html.
[3]. IRMCF312 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/IRMCF312_1617423.html.
[4]. PFC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PFC_1200255.html.
[5]. ASE datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ASE_2054056.html.