更严格的法规及日益增加的消费者期望 对白家电行业提出电机驱动新挑战

     白家电/家电制造商正经历艰难时期。他们不仅需要使他们的产品在一个极具竞争力性的市场对消费者更有吸引 力，同时必须遵循越来越严格的环境准则(如北美能源之星 和欧盟的92/75/EC)。正如我们将看到的，这一切都迫使他 们开发更紧凑、高能效的产品，运行更安静支持更长的使用 时间。下文着眼于在电机驱动器IC中承担最新创新的元素和 白家电设计中的智能功率模块(IPM)技术所提供。
在亚洲、非洲和南美迅速扩张的人口及全球持续的经 济发展导致全球总能耗日益攀升——国际能源机构(IEA)预 测全球能源需求从现在到2040年间将增加37%。化石燃料储 备日益减少、社会越来越重视的碳排放的生态影响，人们仍 然没有真正大规模的可再生能源。

1 当前现状
世界各国政府正强制执行立法措施以节省能耗，应对 能源成本上升、某些石油生产国政治上，不安定和对环境可 能 造 成 无 法 恢 复
的 。 美 国 能 源 部 (DoE) 于2 0 1 4 年9 月 制 定 标 准 ， 以 提 升 冰 箱 和 冰 柜 的 能 效 ， 执 行 标 准 的 以 后 生 产 的 新 型 产 品 需 降 低2 0 % 的 能 耗 。 据

图1  电机驱动器用途

图2  白家电电机驱动器
估计，这将在接下来的30年节省约4.84 x 1015的英国热单位 的累积能量(相当于目前美国家庭制冷产品年消耗总能量的3 倍)。政府机构现正进一步针对房间空调和洗衣机的特别标 准，在某些情况下将要求提升35%的能效。日本，矿产等自 然能源匮乏，产能下降，正作出极大努力减少电力消耗。 自影响广泛的日本领跑者计划(不仅包括白家电，还包括炉 具、热水器、电脑、空调、自动售货机、办公设备等)全面 启动以来，通过督促制造商遵循其准则和违反准则的采取 “点名批评”的方式，已显著提升能效。

2 消费者压力
从 消 费 者 的 角 度 ， 有 许 多 属 性 会 使 白 家 电 更 具 吸 引 力。制造商需要注意使产品与竞争对手的产品区别开来。这里最值得注意有几点：
1. 消费者购买家电时很精明。他们意识到尽管产品价 格可能有具吸引力的标价，但其工作过程中的运行成本可能 更高，从而很快消除任何价格优势。可实时显示工作能效、 不会过多消耗电的家电产品，售价肯定略高。
2. 可靠的运行基本上是给定的。如果一款产品无法可 靠的运行，那么制造商是在砸其招牌。
3. 可以给最大化内部尺寸消费者提供更多的附加值。 有更多可用内部存储空间冰箱，或有更大负载容量的洗衣机 更有可能吸引消费者。

图3  展示在电冰箱内使用基于IMST的IPM的电机控制电路图    

图4  使用基于IMST的IPM的洗衣机电机控制电路图
4. 制造商正被迫推出可提供更好用户体验的白家电设
计。例如，由压缩机电机引起冰箱嗡嗡噪声。一直令消费者 烦恼，必须尽一切努力减少噪声。

3 待克服的技术问题
消费者和立法动态所推动，白家电设计正经历彻底改 变。过去的庞大设备需要由更时尚、更多可用空间的经济设 计取代。由于家电的紧凑度成为一个越来越重要的卖点，其 组件大小需要跟趋势——特别是电机。

4 白家电中的电机类型及用途
电机(及压缩机和风扇)正被整合至现代厨房或杂物间的 各种硬件。根据应用可使用各种不同的电机类型，如交流感 应、有刷和无刷直流，无论是单相或3相拓扑结构。配备的电机驱动器将包含必要的功率开关元件。这将辅之以电机控制器，集成确定位置和提供速度控制的功能，及优化电机运行时的总能效的能力。
1. 12 V 桥驱动器，带晶体管输出；
2. 12 V无刷直流电机驱动器，带晶体管输出；
3. 24 V无刷直流电机驱动器，带晶体管输出；
4. 驱动240 V系统的3相无刷直流预驱动控制器；
5. 驱动600 V系统的无刷直流电机驱动器。

5 主要的白家电电机应用
1. 冰箱——风扇电机驱动器驱动内部风扇，而外部风 扇由无刷直流电机驱动外部风扇。步进电机驱动器执行自动过滤清洗和阻尼功能。如果有自动制冰机则整合两个有刷电 机。因此可能共需要5个电机。
2. 空调——无刷直流电机负责驱动内部和外部风扇。 步进电机执行自动过滤清洗功能。包括一个步进电机，控制 导出空气。
3.洗衣机/烘干机——无刷直流电机驱动风扇以产生干 燥的空气，以及供/排水。由步进电机完成控制干燥空气的 温度。
过 去 ， 洗 衣 机 和 冰 箱 按 照 “ 全 部 或 没 有 ” 的 原 理 工 作。近十年左右，越来越流行洗衣机支持多种速度模式，可 对不同大小负载作出响应，从而提高能效。同样地，冰箱压 缩机也不是无视设备内部温度，简单地保持全速运行。通过 更智能的驱动系统设计，将压缩机的速度与所需的温度水平 相匹配。实现更高能效的前提是能精确地控制电机速度。
将 来 ， 电 机 将 不 只 提 供 强 大 的 性 能 ， 还 具 有 小 的 尺寸。 而且家电转至更小外形有热管理的影响——系统产生的热将被限制在更小的空间。热强度的提高会对设备产生压力，导致可靠性问题。一种解决方法是使用额外的冷却结构，但 这会增加功率预算，所以不可行。另一种更优的途径是提高 能效水平以减少热消耗。安森美半导体提供用于白家电应用 的不同电机驱动器，能克服如前所述的设计挑战。

图5　IPM模块终端应用
6 实现更智能和更高集成度的电机驱动器方案 由于白家电设计的空间限制和能效要求，工程师多采 用更多基于IPM(智能功率模块)的集成的电机驱动方案。这 将所需的各种元件压缩为一个高度集成的混合IC模块，采用高密度封装。但传统的IPM有一定的缺点。由于布线和布局问题，框架结构中无源元件的位置可能会有问题。贴装后，通常在焊外会产生可靠性问题。
安森美半导体已通过绝缘金属基板技术(I M ST ) 的开 发，将自身定位为IPM设计的前沿。IMST是在铝板上形成 电 子 电 路 —— 无 源 元 件 ( 电 阻 、 电 容 等 ) 、 分 立 元 件 ( 二 极 管、晶体管等)加上更复杂的IC(门极驱动器、数字信号处 理器等)都安装在相同的基本上。IMST提供高热传导和工作 强固性。这方案可减少元件数和占板面积(因而可使用较以 前更小外形的模块)。元件相当容易安装，极大减少所需布 线。得益于在铝板和铜箔图案之间的绝缘树脂产生的分布式 电容，IMST证明在减少由开关引起的电磁干扰(EMI)方面极 为有效。因此，稳定安静的电机运行可从中受益。
安森美半导体的IPM采用单列直插式封装(SIP)以增加 安装灵活性(模块可水平或垂直于铅贴装)。不存在任何陶瓷 层(绝缘/机械稳定性用途)的缺失意味着IMST能实现更好的 接地。注塑成型加强元件黏合能实现，以对焊接点施加更少 的压力。
由于IC和子系统的创新(卓越的封装和贴装技术)，及更 好的设计实践，工程师将能为市场带来新一代白家电。这 将更能符合电源能效、紧凑/轻型架构和安静运行的更高要 求，从而可最大满足消费者期望和环境准则。