使用新一代智能功率模块有效提升马达驱动效率

家用电器制造厂商，尤其是涉及马达驱动功能的家电制造厂商正在响应世界各地能源法规的要求，寻找新的解决方案以提高其产品的能效。 为了满足这些法规的要求，使用变频器是提高能效的一个解决方案。但是设计人员必须意识到，采用变频器会带来一些问题，包括电路设计变得复杂、板卡尺寸增大、制造成本增加以及可靠性和生产率等问题。

为满足这一需求，飞兆半导体最新的Motion-SPM系列产品μMini-DIP SPM为设计人员提供了一个新的替代解决方案，该方案相比传统方法具有明显的优势。下文因此将介绍在家电马达驱动中的不同解决方案，讨论它们的优点和不足之处，以及基于μMini-DIP SPM系列产品的新解决方案的优势所在。

强制性能源法规

由于人类活动增加，地球正在变暖，导致全球气候改变。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。

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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-SPM产品的3相马达系统框图。

μMini-DIP SPM系列的四项设计优势

家电制造商对变频系统都有哪些需求？

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。

图2：分立元件(左)产品对比Motion-SPM模块(右)。

因此，飞兆半导体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。飞兆半导体新近推出的Motion-SPM产品，称为μMini-DIP SPM。

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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。工程师可根据具体的设计规范要求选择最适合的产品。

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。

如图4所示，就FNA41560和 FNB41560而言，开关频率交叉点在13kHz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。

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。大多数工程师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。

图5：μMini-DIP封装的散热仿真。

第四项设计优势是备有各种类型的引脚选项(见图6)。

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)。

本文小结

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。此工具可为马达控制设计人员提供高效的计算方法，计算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。

作者：Bok Keun, Song

Soo Hyuk, Han

Cha Kwang, Kim

高级应用工程师

飞兆半导体公司

本文来自《电子工程专辑》2011年5月刊，拒绝转载。