高能效的家用电器的设计

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，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（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)或高效感应式马达才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μ-MiniDIP SPM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。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×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-40℃到+150℃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。

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，由于没有拐点电压和电流拖尾，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×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。

图1 洗衣机的模块简图

图2 μ-MiniDIP SPM模块的原理图