面向1.5kW应用最优化马达控制技术

由于人类活动增加，地球正在变暖，全球气候正在改变。降低能源消耗，利用可再生能源和改进能效技术是减少温室气体排放的重要举措。

根据美国能源信息署(Energy Information Administration—EIA)的能源消耗报告，使用能源的四大领域为工业(31%)、运输(28%)，住宅(22%)和商业(19%)。

以一个满足“能源之星”的家庭为例，多达一半的能量用于加热与制冷。因此，节能减排的着眼点应更多地放在加热、通风和空调(HVAC)设备上。这类设备都涉及马达驱动系统。其它涉及马达控制系统的家电为洗衣机、冰箱等。马达控制系统的能耗估计占据家庭总能耗的50%以上。

表1 说明全球能源法规的发展趋势

表1：全球能源法规状态

如何提高马达驱动效率？

为满足强制性能源法规要求，所有马达控制系统必须采用变频器。众所周知，变频控制与传统开/关控制比较可平均节省40%的电能。

几乎所有设备制造厂商都采用变频系统来提高能效。同时，半导体供应商也在开发集成和分立解决方案，包括功率模块――马达变频应用系统中的关键器件，器件内部集成半导体功率开关器件和驱动控制芯片。

设备制造厂商在决定如何改进变频器效率，减小板卡尺寸和成本的同时，还面临着设计周期缩短的压力。

为缓解设备制造厂商的担忧，选择集分立电路和IC于一体的功率模块是最佳的方案。

图1中的蓝色区域是驱动逆变马达的模块部分。

图1：采用Motion-SPMTM 产品的3相马达系统框图

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家电制造商对变频系统有何需求？

1. 提高可靠性

近年来，家电消费质保期延长成为一种市场趋势，这意味着必须提高设备的可靠性。

2. 设备小型化

另一个市场趋势是家电产品小型化，这意味着部件必须更小，包括变频器。

3. 提高能效(即最大限度地降低能耗)

随着设备尺寸变小，客户将面临功率器件的发热问题。如果设备尺寸变小，部件的功耗也必须减小。

飞兆半导体Motion-SPM产品

飞兆半导体公司正在针对这些问题开发模块化产品，即针对变频系统，特别是马达控制的智能功率模块Motion-SPM。

图2：分立元件(左)产品对比Motion-SPM模块(右)

许多SPM产品投入量产，飞兆半导体推出了新开发的SPM产品，称为μMini-DIP SPM。

飞兆全新Motion-SPM产品(μMini-DIP SPM系列)

采用μMini-DIP 封装的Motion-SPM产品其主要设计目标是创建具有更高可靠性和最小封装的低功耗模块。这个目标通过应用三项技术来实现：新型三合一栅极驱动高压集 成电路(HVIC)，采用先进半导体技术的新型IGBT以及改进的陶瓷基底压注模封装封装。相比图3所示现有Mini-DIP SPM封装，新的μMini-DIP SPM封装能够减小24%的尺寸，并提高可靠性。

图3：mini-DIP 和μmini-DIP SPM封装尺寸比较

第二个重要的设计优势是针对每项应用提供专门的产品系列(in-product line-up)。采用μMini-DIP 封装的Motion-SPM产品的目标应用是家用电器(空调、洗衣机、冰箱和电风扇)中的变频马达驱动。

例如FNA4XX60 Motion-SPM模块专用于低开关频率(5kHz以下 )应用(如电冰箱和空调)，因为这类应用中IGBT的VCE(SAT)较低。

FNB4XX60 Motion-SPM模块则针对高开关频率(5kHz以上)应用(如洗衣机，洗碗机和电风扇的马达驱动)，因为这类应用中IGBT/FRD的开关损耗(ESW(ON), ESW(OFF))较低。客户可选择最适合其设计规范要求的产品。

如图4所示，就FNA41560和 FNB41560而言，开关频率交叉点在13 kHz处。这意味着FNA型适合于开关频率在13kHz以下的设备，如空调的压缩机驱动。而FNB型则适合于开关频率在13kHz以上的设备，如洗衣机。

图4：有效负荷电流比较 图5：μMini-DIP封装的散热仿真

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第三项设计优势是把用于测量功率芯片(如IGBT， FRD)温度的NTC热敏电阻集成在同一基片上。大多数客户都想知道功率芯片的精确温度，因为这个参数关系到设备的质量、可靠性和使用寿命。但这个愿望往 往受到限制，因为模块内集成的功率芯片(如IGBT， FRD)在高压环境下工作。因此，只能使用外接NTC热敏电阻来测量模块或散热片的温度，而不是直接测量功率芯片的温度。虽然这种方法不能准确反映功率部 件的温度，但却是一个简单而且具有高成本效益方法。但是，μMini-DIP SPM封装的NTC热敏电阻与功率芯片都集成在同一陶瓷基片上，因而能够更精确地测量功率芯片的温度。

第四项设计优势是备有各种类型的引脚选项。

图6-1：可选μMini-DIP封装引脚(短引脚)

图6-2：可选μMini-DIP封装引脚(长引脚)

总结

飞兆半导体针对高效变频马达驱动和节能设计提供丰富的Motion-SPM产品系列，还为这些产品配备了马达控制设计工具（Motor Control Design Tool），此工具可为马达控制设计人员提供高效的计算方法，计算飞兆Motion-SPM模块中的功率损耗和温升。这款工具可用于变频驱动应用的三相逆 变正弦调制，以驱动永磁同步马达(PMSM)和交流感应马达。

能源法规正在提高全球的节能意识。对于马达驱动类的家用电器而言，变频技术是实现高能效的正确解决方案。因而，采用Motion-SPM产品是实现变频家电的最佳途径。

特别强调的是，μMini-DIP SPM封装为变频系统实现高效率、小板卡尺寸和低成本提供了更大的优势。

表2： μMini-DIP SPM系列产品