中国的家用电器市场发展迅猛,在增长最快的家用电器产品中,空调尤其突出。作为全球最大的生产基地,中国制造了全球近40%的空调。与此同时,市场上出现了越来越多的变频空调。变频空调技术更有利于人体健康,同时也更舒适、节能和环保。与固定速度的空气压缩机相比,变频空调从启动到预置温度的时间缩短了1/3,温度稳定性更高,功耗下降了40%,这都直接意味着节能与省钱。这种空调的核心部分包括IGBT功率级、微控制器和SMPS辅助电源(图1)。
大多数家用电器生产商仅仅提供变频空调的性能指标,而设计公司则向客户提供完整明确的一揽子解决方案。变频空调设计公司通常都是中小规模技术密集型公司,一般它们还提供电子制造(EMS)服务。一个有利润前景的变频空调设计应该满足下面条件:
- 采用易于设计、耐用性高和成本低的元器件
-采用已得到充分验证的变频子系统,这些子系统应具有诸如功率级、单片机、SMPS等最新功能,还应有一些像功率因数校正(PFC)之类高级功能
- 能够容易低成本地进行板级生产
为了满足以上要求,必须正确选择元器件,并尽量采用已得到充分验证的解决方案。
1．IGBT功率级
市面上有很多不同用途和不同封装形式的IGBT产品,但只有满足一定条件的IGBT才能用于变频空调。由于变频空调一般工作在较低频率,比如20kHz以下,所以IGBT中的导通损耗要比开关损耗更为显著。例如英飞凌的Fast IGBT系列和TrenchStop IGBT系列,作为NPT器件,Fast IGBT由于具有正温度系数的Vcesat以及没有epi-layer,不仅导通损耗低而且强度高,还能够很容易地实现600V器件的并联；TrenchStop IGBT的低导通损耗和开关损耗性能则是技术上的一个突破。
元器件封装形式必须根据系统要求和制造能力,按设计灵活性高、选择范围广的原则来正确选用,并要求具有最大的功率输出、有吸引力的价格,以及备用供货来源。由于DuoPACK同时封装了一个IGBT芯片和一个二极管,使用这种封装形式可以获得较低的连线电感,也有利于减小PCB面积。目前,很多中国变频空调厂商均采用日本生产的IPM模块,其优点是容易嵌入设计,且IPM供应商对产品的可靠性负责。但它的缺点是不灵活、成本高,并且造成中国的制造商对IPM内部技术的不了解。采用新型的低功耗模块可以将以上两种方案的优点结合起来。采用领先的芯片技术和优良的导热材料,低功耗模块能提供理想的功率输出,且无需额外的绝缘手段。除了三相逆变桥,输入整流器和NTC温度传感器也能集成在模块中。这种思路来源于已成熟运用于重工业中的大功率模块,具有广泛的适用性。
2．单片机
单片机最好是专门针对电机驱动应用领域而设计,带有丰富的外设、足够的存储空间、多个定时器和专门的硬件PWM单元,可以有效地驱动各种不同的电机。供应商应为这些单片机应用提供演示代码、集成开发环境(DavE)、C编译器、仿真器、ROM监控程序、使用说明以及大功率变频演示板,以使用户能很容易做到强弱电整合,快速融入自己的设计中。另外还应考虑单片机的正常工作温度范围。
3．SMPS
简单的RCC自激电源可能是最廉价的辅助电源解决方案,IC 控制的SMPS能获得更高的性价比。它具有诸如性能好、节能、体积小和高级保护等优点。
采用性能优良的元器件能从几个方面提高变频空调的性能。对于已有的变频器方案,可以通过替换功能子系统来实现优化。IGBT功率级是这方面的一个很有趣的例子。IGBT功率级具有很好的接口定义,其性价比优化的潜力也很大。一些供应商为常见的IGBT功率级提供了即插即用式替换方案。
对于新的变频器设计,协同的集成优化潜力则可得以发挥。因此,一套完整的芯片组可以为用户提供便利,其中应包括收发器、稳压器、传感器和PFC用的高性能SiC二极管。用户采用先进的仿真和开发环境(PSPICE模型、DAvE、用于IGBT选取的IPOSIM和starterkit)及完整紧凑的空调变频板参考设计,可以大大减轻工作量,缩短最终产品上市时间。
David Lee
市场部经理
Christoph Peper博士
项目经理
张青
高级应用工程师
汽车和工业电子事业部
英飞凌科技公司
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