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英飞凌以电机变频控制技术,践行双碳减排,助力产品快速开发上市

时间:2022-06-21 16:23:41 作者:张河勋 阅读:
随着“双碳”“减排”越来越受重视,作为耗电大户的电机控制系统应用正朝着高效化、高频化、小型化、智能化方向发展,受可靠性、可维护性、用户体验影响,BLDC、PMSM无刷电机将持续替换有刷电机,未来市占率将进一步提升。
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“在双碳减排大背景下,我们应该怎么做电机控制,怎么实现目标呢?在这个前提下,我们做电机控制实际上是相当复杂的事情。英飞凌通过把电机控制整个流程简化,加快实现产品上市,努力推动双碳减排。”在6月17日由Aspencore主办的2022电机驱动与控制论坛上,英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部高级主任工程师何国祥以“双碳减排下的电机控制系统能效提升思考”为主题,解读了电机控制系统能效发展趋势、电机控制系统半导体需求发展趋势,且对英飞凌支持产品快速开发的电机变频控制方案,以及英飞凌电机变频控制在家电及工业领域的应用情况作了全面介绍。

英飞凌科技大中华区安全互联系统事业部高级主任工程师何国祥

“其实,十几年前,大家在做电机控制,大概需要两年。然而,在新的市场发展趋势下,客户经常要求我们能不能在三个月内把产品做出来,以最快的速度赚取市场利润。” 何国祥作为在智能家电行业耕耘18年的“老兵”分享了电机控制领域的发展新趋势,以及如何实现快速开发,以满足家电及工业领域的应用。

何国祥表示,随着“双碳”“减排”越来越受重视,作为耗电大户的电机控制系统应用正朝着高效化、高频化、小型化、智能化方向发展,受可靠性、可维护性、用户体验影响,BLDC、PMSM无刷电机将持续替换有刷电机,未来市占率将进一步提升。

现在,普遍应用在家电上的无刷电机,有什么优势?相对有刷电机,无刷电机的优势主要体现在以下几个方面:一是效率更高,最高达到90%;二是调速范围更广,甚至可以超过额定设计转速,可以降低很大一部分的能耗;三是连续运行寿命更长,无刷电机的寿命普遍达到2万小时;四是静音运行,调速快;五是成本相对较低,后续维护简单,且安全性更高。何国祥表示,无刷电机唯一的缺点在于其需要3相控制,涉及FOC算法,对MCU性能要求较高,“无刷电机需要基于ARM核的32位微控制器,成本相对会高一些,但是性能会更好。”

同时,他也指出,电机控制系统能效趋势呈现三大发展趋势:一是高效化,从感应电机向BLDC/PMSM 电机转变,电机本体能效也会提升,功率器件开关高频化,功率器件发热量低,温升小;二是小型化,主要体现在PCBA、散热器减小,功率器件封装减小;三是智能化,通过双核,可以实现AI智能分析,提升系统效率的功能,以及远程控制,比如目前汽车可以通过wifi、4G、5G网络远程把它启动起来。

何国祥表示,在电机控制系统半导体需求上,也呈现三个发展趋势:一是主控MCU需求。现在ARM Cortex-M4整体效率更快,再加上M0+,就可以做一些电机系统的监控,做进一步的优化,还可以做双核。相对其他厂商的数字运放,集成模拟运放(轨对轨)性能更好,以及比较器保证过流那一刻产生信号,把外设、输出全部关掉。ADC采样速率 ≥ 1Msps。PWM死区时间设定,可以在设定完之后,就自动添加死区,不需要人为在软件中调整。Kill信号硬件,就是直接关断PWM输出,确保整体的安全。

二是CooISiC系列—门极驱动+功率器件。主控MCU发出控制信号之后,需要通过门极驱动器,而门极驱动器再驱动MOSFET、IGBT或SiC。如果采用更集成的方案,直接集成在一起,就形成IPM,即智能功率模块。

三是IoT+安全连接。怎么保证产品既可靠又安全?这就需要采用一个安全芯片,让任何人都无法知道你的信息。另外,有一些工业场合会用到CAN / EtherCAT的连线,当然也可以通过蓝牙、wifi连接。

何国祥介绍,针对以上发展趋势,英飞凌根据不同的需求对电机控制系统系列产品选型,比如在主控MCU上,XMCTM 7000 会有100/144/176 Pin,满足更多的应用需求;PSoCTM 4500H (64/80 Pin) 主要是针对空调,比如双电机、压缩机+风机再加上高频PFC的应用。在门极驱动+功率器件上,英飞凌主要有EiceDRIVER 6ED/2ED、CoolSiCTM、CoolMOSTM、OptiMOSTM 、CIPOSTM IPM等。在IoT+安全连接上,英飞凌主要有CAN / XMCTM EtherCAT、AIROCTM WIFI+BT Combo等,可以做密钥,更复杂一些。

何国祥特别介绍了变频空调外机(压缩机+风机+高频PFC)需求。即在高效的需求下,功率器件发热量低,温升小,且根据目标转速快速响应。在舒适的需求下,电机转速响应迅速,低频平稳运行,振动小,无明显电流噪声。在成本上,MCU集成度高,BOM简洁;PCB面积小,整体成本可控。

相对传统开发方式,英飞凌的开发模式有哪些优势呢?何国祥介绍,英飞凌针对空调、洗衣机、冰箱,会提供一个专门的电机驱动库,提前帮助完成算法工程师的工作,仅需一个应用软件和一个硬件工程师,可以极大地降低客户的开发成本。同时,英飞凌开发模式不需要客户自行硬件设计,通过提供高速风筒/空调外机/冰箱/洗衣机(波轮/滚筒(BLDC/DD) )设计参考图,不仅更节省时间,而且可以快速帮助实现硬件制做。另外,英飞凌开发模式优势在于不需要外置运放和比较器,通过PSoC芯片内置模拟运放和比较器,电路简化,BOM成本低。还有,英飞凌提供量产级代码方案,客户只需加入自己客制化的应用代码即可,不像传统开发模式仅提供Demo代码,需自行研究量产方案。基于以上优势,相对传统开发模式所需2年时间,而英飞凌的开发模式因其代码经过量产,以及通过各种验证,只需要一个季度就可以完成量产。

目前,英飞凌电机变频控制技术在家电及工业领域进行了广泛应用,比如空调、冰箱、洗衣机、风扇、电动工具等,高度契合国家在节能减排上的要求。

责编:Jimmy.zhang
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张河勋
Jimmy Zhang,产业分析师。曾长期负责行业期刊的整体编制工作,对新型显示产业具有较深的认知,对产业内容也具有较强的整体策划与把控能力。
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