应用于家电的高能效电机驱动方案设计

随着能源成本上升及消费者对家电节能意识增强，世界各国政府纷纷出台更加严格的能效标准或高能效激励措施以提升白家电能效。如美国能源部建议实施新的能效标准以减少电冰箱、空调和洗衣机的能源使用，某些情况下强制要求能效提升多达35%.日本的能效“领跑者”（Top Runner）项目自实施以来，也大幅提升了空调及电冰箱的能效要求。

家电中通常要使用多种不同的电机来控制不同功能。电机包括交流（AC）电机和直流（DC）电机。其中DC电机包括有刷直流电机和无刷直流（BLDC）电机。BLDC电机分旋转电机和步进电机，具有显著的节能、低噪声和优异变速性能等特性，广泛应用于电冰箱、空调及洗衣机等家电应用。

设计人员要设计高能效的家电产品，就需要在设计中选择高能效的电源转换及电机驱动/控制方案。安森美半导体积推动高能效创新，提供宽广阵容的产品及方案。本文将分析家电中的电机应用，并介绍安森美半导体应用于典型家电产品的电机驱动及控制方案。

家电应用要求及设计挑战
针对家电中的不同电机应用对电压及电流范围的不同要求，安森美半导体提供宽广阵容的高能效电机驱动/控制方案，支持最高电压达600 V，最大电流达50 A.这些电机驱动器包括4种，分别是12 V BLDC电机驱动器、24 V BLDC电机驱动器、3相BLDC驱动器控制器（驱动电压达240 V）及600 V或更高电压BLDC电机驱动器。

除了要匹配不同的电压/电流要求，工程师在家电应用设计的另一共同挑战是能耗问题。例如，如果风扇驱动器的电路板内置，就会产生热量及并要求消耗额外的电能来把它冷却。因此，工程师可能会同时要求高能效及具强力冷却功能的电机。

                                                                 

                                                                                              图1：用于家电的电机驱动器/控制器电压/电流范围概览。

此外，用户要求家电产品减小电机产生的恼人噪声，希望有舒适宁请静的使用体验。因此，工程师要选择产生更低噪声的电机。有些家电如电冰箱，由于用户的居住空间有限，他们会青睐体积小巧的电冰箱。这趋势导致工程师采用更小的电机以优化占用空间。由于家电要求采用高压电源来驱动，耐用性、安全性及可靠性很重要。

用于典型家电应用的电机驱动器方案
1.电冰箱
据统计，高档电冰箱中使用的电机最多，可能达5个或更多，典型应用包括阻尼器、风扇、制冰机、压缩机、气流调节及冷却流泵等。最基础功能的电冰箱也有压缩电机和冷却流泵。较高端的产品使用风扇及阻尼器，利用电机进行气流调节。制冰机可能使用2个电机，一个用于出冰，另一个用于清空制冰托盘。

                                                                             

                                                                                                                       图5：空调中的电机应用。

安森美半导体为直流风扇电机提供由LV8136V预驱动器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相风扇电机混合集成电路（HIC）构成的驱动方案。此方案提供高压、大电流（1 A/2 A/3 A）驱动，能效高，工作安静，元器件数量少，集成多种保护特性，提供更高可靠性。省电模式还使待机电流几乎为零。

2）用于压缩电机和风扇电机的IPM
安森美半导体为空调的压缩电机及风扇电机驱动提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C47xxx系列的3相变频器IPM，以及结合升压功率因数校正（PFC）和3相变频器的STK57F-3xx系列二合一IPM产品，提供多种应用优势。以STK57F-3xx系列IPM产品为例，由于将PFC和3相变频器合二为一，不仅提供高能效电路，还大幅减少元器件数量，节省PCB占用空间，缩短开发时间，降低组装成本，加快上市进程。

                                                                    
                                                                                                        图6.安森美半导体用于空调的二合一变频器智能功率模块（IPM）。

3.洗衣机及烘干机
洗衣机要求采用电机来驱动筒、水泵以及各种泵，烘干机需要电机来驱动筒及鼓风机。

                                                                           

图7.洗衣机/烘干机中的电机应用。

1）筒驱动
在洗衣机内部，筒驱动器是最大的电机，通常电流在10 A范围。安森美半导体用于3相BLDC电机驱动器的IPM是用于筒驱动的最先进产品系列，符合高能效、安静驱动、极佳散热、强固及可靠工作等要求。这些IPM包括单分流电阻型的STK551U362A-E（10 A）和STK531U3x2x-E （5 A至10 A）以及三分流电阻型的STK554U362A-E（10A）和STK534U3x2x-E（5A到10A）。

2）供水及排水泵
供水及排水泵要求高能效及变速驱动等关键特性。安森美半导体的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于这类三相BLDC电机驱动应用。这些器件的PWM占空比能够采用IC输入来控制，适合从9.5 V至30 V的宽工作电压范围。

3）阻尼器
洗衣及烘干机应用中，阻尼器上要有一个电机来控制烘干机的气流。此阻尼器的关键要求跟电冰箱阻尼器相同，推荐使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效电机驱动器IC.以LB1948MC为例，这器件易于设计，待机电流几乎为零。

4）直流风扇
洗衣及烘干机中的鼓风机跟空调应用类似，建议使用LV8136V.这是一款PWM系统预驱动器IC，用于驱动3相无刷直流电机。由于采用PWM驱动，这IC提供优化的能效及低噪声。

总结
安森美半导体积极推动高能效创新，提供应用于家电的完整方案，包括电源、电机驱动、用户接口、通信、测量等。本文重点介绍了安森美半导体应用于电冰箱、空调、烘干及洗衣机等家电的电机驱动及控制器以及高集成度的智能功率模块（IPM）方案，帮助设计人员针对具体应用选择适合的产品，设计出高能效、高可靠性及静音工作的家电。