通過(guò)比較750W的永磁電機(jī)、SyncRM(同步磁阻電機(jī))、SPM(表面式永磁)電機(jī)、及IPM(嵌入式永磁)電機(jī)的損耗分析，可以看出嵌入式永磁電機(jī)的損耗為感應(yīng)電機(jī)的一半(圖2)。
 
圖2  比較IM(感應(yīng)電機(jī))、SyncRM(同步磁阻電機(jī))、SPM(表面式永磁)電機(jī)、及IPM(嵌入式永磁)電機(jī)的損耗，可以看出永磁電機(jī)具有最低的功耗損耗

近年來(lái)，傳統(tǒng)上采用逆變器的空調(diào)以兩種方式進(jìn)行整合。一種是來(lái)自日本，主要通過(guò)進(jìn)口現(xiàn)有的日本廠商推出的成品商品；另外一種則是通過(guò)中國(guó)國(guó)內(nèi)廠商自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

日本進(jìn)口的空調(diào)一般采用渦旋式或雙螺旋壓縮機(jī)，這主要是由于日本對(duì)低振動(dòng)與安靜運(yùn)行的需求比經(jīng)濟(jì)性要求更高。

這些壓縮機(jī)成本比單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)高40%，但后者的震動(dòng)與噪音較大。這種逆變器調(diào)節(jié)架構(gòu)中除了一個(gè)單獨(dú)的風(fēng)扇逆變器與PFC(功率因數(shù)校正)電路外，還采用了先進(jìn)的32位RISC微控制器來(lái)控制壓縮機(jī)。

由于這種設(shè)計(jì)成本較高，中國(guó)在經(jīng)過(guò)十年的進(jìn)口后，也沒(méi)有使之較好的滲入市場(chǎng)。這主要是由于其壓縮機(jī)非常昂貴及逆變器控制過(guò)于復(fù)雜造成的。雙螺旋壓縮機(jī)采用開(kāi)路V/Hz控制、開(kāi)/關(guān)風(fēng)扇控制，及一個(gè)單獨(dú)PFC的感應(yīng)電機(jī)。盡管這種設(shè)計(jì)的成本與單葉回轉(zhuǎn)式相差不多，但其提高的能源效率并不能節(jié)約足夠的電能，普及也受到了限制。

節(jié)能的空調(diào)室外單元

國(guó)際整流器公司(International Rectifier)近期推出了iMOTIONTM集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，以期解決這種能效問(wèn)題。利用iMOTIONTM芯片組，可以使用單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，并能保證低震動(dòng)的安靜運(yùn)行。

IRMCF312是一種采用MCE(運(yùn)動(dòng)控制引擎)架構(gòu)的空調(diào)控制器，這是一種獨(dú)特的硬件控制引擎，可提供快速計(jì)算算法進(jìn)行數(shù)字PFC控制，并可對(duì)嵌入式永磁壓縮機(jī)電機(jī)與風(fēng)扇電機(jī)提供無(wú)傳感器的正弦位置控制。

設(shè)計(jì)師通過(guò)采用IRMCF312，可免除單獨(dú)的風(fēng)扇控制器以及單獨(dú)的模擬PFC控制功能。這種芯片只需要一個(gè)DC-Link(直流鏈支撐)電流檢測(cè)分流電阻來(lái)為電機(jī)實(shí)施無(wú)傳感器FOC(磁場(chǎng)定向控制)，即采用專用的快速模擬電路與一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)建電機(jī)的相位電流。因此，控制器并不需要外部有源組件，自身就帶有與電機(jī)分流電阻直接連接的接口。

為了實(shí)現(xiàn)較高的PFC性能，IRMCF312整合了運(yùn)算放大器，可通過(guò)外部電阻直接連接到交流線電壓及直流總線電壓上。與主要廠家的RISC微控制器相比，IRMCF312在典型的電路結(jié)構(gòu)中去掉了五個(gè)外部運(yùn)算放大器及其相關(guān)的采樣保持電路。

IRMCF312還可在12ms時(shí)間內(nèi)以64MHz的內(nèi)部時(shí)速進(jìn)行全面的無(wú)傳感器正弦FOC計(jì)算。IRMCF312還包含一個(gè)8位微控制器，以加快對(duì)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)進(jìn)行的計(jì)算和控制，如與UART、I2C/SPI、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、采集及數(shù)字I/O外設(shè)間的排序與通信等(圖3)。
 
 圖3  IRMCF312控制器芯片中含有一個(gè)用于管理應(yīng)用層代碼的8位微控制器，一個(gè)雙通道MCE來(lái)控制空調(diào)壓縮機(jī)與風(fēng)扇電機(jī)，以及一個(gè)數(shù)字PFC控制器

與傳統(tǒng)的DSP或微控制器電機(jī)控制器相比，MCE不需要進(jìn)行代碼編寫(xiě)。設(shè)計(jì)師可利用Matlab/Simulink工具的圖形控制模擬編輯器對(duì)MCE進(jìn)行編程。

這種方案與IR2136高壓集成電路結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)成本適中的高效室外空調(diào)單元設(shè)計(jì)。該集成電路整合了三個(gè)獨(dú)立的600V半橋逆變器柵極驅(qū)動(dòng)電路，并內(nèi)置了保護(hù)功能，如逆變器過(guò)電流觸發(fā)及欠壓鎖定，以及自動(dòng)故障清除功能。這種模擬柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路在產(chǎn)品生命周期內(nèi)具備參數(shù)穩(wěn)定性及參數(shù)匹配性，如對(duì)高側(cè)及低側(cè)通道的傳播延遲、死區(qū)時(shí)間插入等。單獨(dú)的電源與信號(hào)接地在低側(cè)IGBT實(shí)現(xiàn)了單直流線路結(jié)構(gòu)，以進(jìn)行電流檢測(cè)。交叉導(dǎo)通保護(hù)防止意外擊穿電流，提高了逆變器的可靠性。

新的高壓集成電路可與IR的各種高效損耗阻滯溝塹IGBT配合工作，其中包括分立與集成的模塊。穿通型(PT)與非穿通型(NPT)IGBT相比，溝塹IGBT有較低的放射極飽和電壓VCE(ON)和總開(kāi)關(guān)損耗ETS。

 
圖4  完整的采用iMOTION空調(diào)設(shè)計(jì)以較低的成本提供了高效的性能
 
圖4顯示了完整的iMOTIONTM室外空調(diào)設(shè)計(jì)。這處芯片組除去了10多個(gè)有源組件(包括一個(gè)PFC控制器和一個(gè)對(duì)高側(cè)接地故障檢測(cè)的霍爾效應(yīng)電流傳感器)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的方式相比，iMOTION芯片組能夠讓家電設(shè)計(jì)師使用較低成本的單葉回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)與很少的外部組件，更快地開(kāi)發(fā)出高效的空調(diào)。

這種整合的PFC控制采用無(wú)橋結(jié)構(gòu)，該電路采用MCE的數(shù)字PFC算法來(lái)控制。壓縮機(jī)與風(fēng)扇PWM的工作頻率分別為6kHz與18kHz。其380V的直流總線來(lái)自于220V的交流輸入設(shè)備。在4kW的空調(diào)中，同時(shí)采用這三項(xiàng)控制功能。壓縮機(jī)采用以5200rpm轉(zhuǎn)速運(yùn)行的4極嵌入式永磁電機(jī)。風(fēng)扇采用以1000rpm轉(zhuǎn)速運(yùn)行的表面式永磁電機(jī)。IRMCF312在電機(jī)控制中不需要位置傳感器，只需要在DClink中有一個(gè)分流電阻。

根據(jù)交流輸入和逆變器輸出功率測(cè)量得出的壓縮機(jī)-逆變器-加上-PFC的效率數(shù)據(jù)表明，在壓縮機(jī)電機(jī)0.5~3.5kW的輸入功率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可達(dá)到94%以上的效率。PFC以20kHz數(shù)字計(jì)算更新速率、40kHzPWM載波頻率在連續(xù)電流模式下工作。PFC與壓縮機(jī)逆變器結(jié)合實(shí)現(xiàn)的峰值效率超過(guò)了95%—與當(dāng)前市場(chǎng)上多數(shù)的高效節(jié)能空調(diào)相比，提高了5%。