原创设计更高能效的家用电器

 2011-11-24 11:54  1084 17 17 分类: 消费电子

随着电价的不断上涨，对节能型家用电器的消费需求也在增长。不过，节能特性只是消费者在购买洗衣机、洗碗机等新家电时的一个考虑因素。产品的使用寿命和可靠性也是必须顾及的重要因素，而且，在许多情况下，它们甚至与用电量或用水量同样重要。显然，寿命和可靠性常常与家电的品牌密切挂钩。过去十年间，对更加节电环保的家电需求持续增长。幸运的是，这些消费需求与环保要求是一致的。欧洲将通过立法增强环保工作的力度，并已推出了“耗能产品生态设计框架指令(EcoDesign of Energy-using Products (EuP))”。欧盟提出的这个新节能标准不仅影响了白色商品的设计，还影响了各类泵、加热产品，或者顾名思义，即一般的耗能产品(EuP)的设计。

EcoDesign涵盖了每个设计环节的能耗问题。此外，它还考虑到了产品的整个生命周期成本，包括生产及最终废弃处理成本。这项指令为制定EcoDesign要求搭建了一个框架，并将强制所有交流电产品制造商执行，以提高能效。为了满足EcoDesign的要求，有不同研究课题对多项强制采用技术进行了总结。研究明确指出，只有采用变速驱动的永磁同步马达(PMSM)或高效感应式马达能够满足这些节能要求。对于负载可变应用和频繁启动/停止的情况(通常见于家电)，这类驱动技术的节能潜力巨大。不过，并非所有的马达应用都能够受益于变速驱动，尤其是在只需要恒速运作时。

为了满足高能效家用电器的要求，新技术是成功关键。PMSM正在顺利取代传统马达。图1所示为一台洗衣机的模块简图，家用洗衣机采用单交流线路供电，其后是所需的功率因数校正 (有源或无源的)。新的马达技术需要变速驱动，为实现这种驱动，设计人员一直以来都依赖于分立式IGBT/MOSFET 解决方案，但现在这种传统方案正逐渐被智能功率模块(IPM) 所取代。由于采用集成式解决方案可带来某些显著优势，IPM的运用日益广泛。模块示意图中用于驱动洗涤桶的最近推出的m-MiniDIP SPM^® (智能功率模块)就是一个例子。该器件出色地实现了3个半桥(图2)的高度集成，其中整合了自举二极管、NTC、精细调节栅极驱动器和众多附加保护功能，如UVLP、SCP及故障输出(fault output)。为了降低模块的能耗，栅极驱动器的待机电流减小，从而实现节能驱动。IGBT和驱动器的精确匹配可确保获得更高的性能。相比分立式解决方案，其性能变化的可控度大大提高了。此外，这种完全隔离的模块(39mm x 23mm)具有更高的可靠性，因为它的保护功能部件靠近功率开关，而且采用低热阻封装，可以减少负载周期的温度变化。这个新系列产品在“故障率 (FIT)”方面堪比分立式IGBT。因此该模块的可靠性优于分立式解决方案。此外，该模块具有-40ºC到+150ºC的宽结温范围，因而不仅适合于家用电器，还可用于工业应用。

图1 洗衣机的模块简图

图2 m-MiniDIP SPM模块的原理图

为了驱动循环泵等更小的马达，建议在IPM中用MOSFET来取代IGBT。特别是对于小输出电流应用，由于没有拐点电压(knee voltage)和电流拖尾（current tail），MOSFET的损耗比IGBT要低。另外，MOSFET的短路耐受时间也比同等IGBT高出一个数量级。因此，MOSFET基本上是低功耗电器的首选解决方案。TinyDIP SPM 模块就是这类IPM的典型例子，这种集成式MOSFET 解决方案非常适合于泵和风扇这种低功耗应用，因为这种完全隔离的模块可以非常靠近马达放置。即使该模块尺寸只有29mm x 12mm，带散热器情况下的最大可输出功率高达200W，这是相同尺寸、基于IGBT的解决方案所无法企及的。为了简化该IPM 的 “取放” 装配过程，还可以采用SMD 封装。在许多情况下，采用这种无散热器的SMD IPM 是首选方案。目前，最大输出功率被限制在90W左右，但另一方面，PCB的制作得以简化。以上两个马达驱动例子都表明，使用IPM更便捷、更快速，并具有更高的灵活性，能够简化节能驱动产品的设计。

即将出台的欧盟EcoDesign规范及其对耗能电器的影响，将会大大促进高能效驱动技术的发展。由IPM控制的永磁同步马达将在实现节能目标方面扮演重要的角色。洗衣机的例子说明在典型应用领域使用IPM能够简化设计并加快设计速度。这些新产品能够帮助设计人员开发出具有高成本效益，并提升整体环保性能的解决方案。