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改善洗衣機、電冰箱以及空調等家用電器能源使用效率的需求正在增加。從傳統的固定轉速馬達轉換到變速馬達可以節省能耗30%之多。但這種設計的難度較大，雖已經出現了幾種方案來降低此類項目的數字設計工作難度，但是設計人員仍需要集成模塊和相關的設計工具來促進功率級的設計。 為了使低成本變速馬達控制器成為可能，元器件供應商設法通過簡化設計和降低結構復雜度來減少變速控制器的成本。例如，已經出現了幾種數字信號控制平臺，它們結合了DSP和集成PWM和馬達控制外圍設備的RISC處理器。這些平臺可運行第三方或者自行開發的馬達控制算法。 同時，也存在其他的解決方案，可直接用硬件實現馬達控制算法，這樣能消除軟件開發和集成難題，也加速了算法的執行速度，進而增強了對轉矩和速度的控制。 無論傾向于哪種方案，數字控制的難題現在都可以很快地解決掉。但是，還存在設計和集成功率級的障礙。設計一個合適的逆變器、門驅動電路以及相關的保護電路需要豐富的功率電子設計經驗。 集成功率模塊 集成功率模塊（IPM）將前面提到的所有元件組合到一個單元中，減少了設計時間并帶來附加好處，包括元件數量的減少和可靠性的增加。 IPM吸收了許多工程成果，這些成果都與動作控制應用中采用的復雜功率系統設計相關。例如，門阻抗針對較低的EMI噪聲和功率損失進行了預優化，并集成了陰極負載二極管和電阻來驅動高壓側IGBT。 通過最小化寄生效應導致的損耗并最大化熱性能，內置過電流保護和高溫保護，驅動布局的難題也得到了處理。工程師只需要為應用選擇合適的IPM即可。 不過，這些工作也是十分艱巨的。IPM在系統中的性能取決于許多與應用有關的參數，比如開關頻率、調變指數以及模塊外殼溫度。數據單提供了一些指導，但是通常是對標準工作情況而言。設計人員需要額外的幫助來預測其在特定應用中的性能。 為了選擇合適的IPM，工程師從應用的相關信息出發。例如，考慮一個均方根相電流為3A，開關頻率為16kHz下工作的洗衣機控制器，其總線電壓是直流320V。如果希望增強的可靠性成為最終產品的賣點，那么可以將指定的最大結溫度設定為遠低于模塊供應商所推薦的限制溫度，比如125℃。 額定電流，散熱電阻 IPM有許多的額定電流可選擇，且可能有多個選擇適用于這個應用。不過，因為每個模塊在給定的工作條件下有不同的功率損耗，用來保持結溫度不超過125℃所需的散熱電阻也會不同。計算所需的散熱電阻（Rth）需要運用與IPM熱學和電學特性有關的復雜知識，來確定傳導和開關損耗，并基于這些數據預測結溫度。 盡管對穩態情況建模相對簡單，但實際的功率損耗卻并不是常量。在工作中，結溫度會波動到穩態平均以外，因為功率損耗會以與逆變器調制頻率相等的基頻變化。 另一個重要的方面是相互加熱，因為IPM內部的多個熱源共享從外殼到環境的通道。如果希望IPM的模型精確，這個效應必須考慮進去。 建模工具 IPM功率模塊的詳細模型在確認和選擇合適的模塊時有重要的作用。模塊供應商通常提供定制的工具，用來分析現有模塊的電氣和熱學模型。 這些工具可以用來生成一系列性能曲線，以描述IPM在用戶輸入情況下的行為。通常，這些工具允許用戶更改開關頻率、功率因數以及調變指數等參數來獲得指定應用條件下的性能曲線。 圖1 設計工具生成的功率損耗與相電流以及外殼溫度 這些工具通常允許用戶生成有用的信息來簡化IPM的選擇。進行功率損耗分析，用于生成功率損耗與開關頻率的曲線；進行元器件對比，用于生成功率損耗和外殼溫度的曲線以供選擇散熱電阻之用。 考慮前面的設計示例，建模工具可以用來計算所需的散熱電阻Rth。圖1顯示了某個常見工具的元器件對比分析結果，同時顯示了這個應用中逆變器的功率損耗以及最高的散熱溫度。 在均方根為3A時，6A模塊和10A模塊的功率損耗分別是31W和21W。6A和10A模塊的最大允許外殼溫度分別是84℃和99℃。所需的散熱電阻計算如下: Rth(S-A) =(TC-TA)/P-Rth(C-S) 計算表明，較小的IPM需要較大的散熱電阻。最后的選擇將根據包括IPM和散熱在內的整個系統的成本和尺寸。 同樣的方法可以用來為空調應用選擇IPM。通常，這需要結合400V的直流總線和PFC前端。開關頻率將低于洗衣機應用，以減少EMI噪聲。如果在6kHz開關頻率時需要均方根10A的電流，工具可以在16A和20A IPM之間權衡。 圖2 在各種不同開關頻率處最大輸出電流 圖3 功率損耗與開關頻率 這個工具也可以用來分析調變指數、開關頻率、散熱溫度以及功率因數對模塊的額定電流的影響。例如，這個工具可以用來研究IPM在不同開關頻率時的最大馬達電流和功率損耗，如圖2和圖3所示。在每種類型分析中，選擇3個部分會顯示在較大的開關頻率下，功率損耗會增加而最大電流會減少。 |
