基於Digital PFC+ Dual FOC架構,採用ST IPM + STM32F303RBT6的變頻空調一體機解決方案

從國家大勢來看,隨著國家經濟的發展,節能減排和產業升級的壓力越來越大。變頻空調具有功率因數高,能效比高的特點。同時變頻空調的推廣可以極大的推動半導體產業的發展。因此國家近年來通過能效等級的劃分,節能補貼等手段,逐步的在推廣變頻空調。從個人體驗感受來看,變頻空調室溫可以控制在+-0.5攝氏度,人體感覺不會忽冷忽熱。是生活幸福感的很大的提升。由於變頻空調通過內裝變頻器,隨時調節空調壓縮機的運轉速度,從而做到合理使用能源;由於它的壓縮機不會頻繁開啟,會使壓縮機保持穩定的工作狀態,這可以使空調整體達到節能30%以上的效果。同時噪音也會降低;變頻空調的核心就是變頻器。

本方案的MCU 採用ST主流的混合信號控制器STM32F303RBT6。STM32F303RBT6具有Cortex®-M4 內核,最高72MHz的主頻,4個高速運放,7個比較器,4個最高採樣速度5MHz 的ADC。STM32F303RBT6不是一般的MCU,而且一個強大的高集成度的混合信號控制器。PFC部分採用ST 的超快恢復二極體STTH30AC06C和IGBTSTGWT20H65FB。目前3PH 以下的空調的PFC 幾本都採用有橋單通道,功率器件用IGBT + 超快恢復二極體。相位一般採樣過零點的方法。控制方式一般採樣電壓環+電流環的CCM;電容軟啟動一般採樣熱敏+繼電器的方式,目前我們推薦客戶用可控矽替代繼電器,壽命更長,可靠性更高,不會拉弧,也沒有聲音;電容軟啟動部分,後續還可以推薦客戶用半橋可控整流的方法來做,目前我們已有技術積累;還有目前還流行一種無電解電容的方式去做空調,此方式我的研究已取得一些成果,在後續的方案中會展示;

原理圖如下:

壓縮機驅動部份,該方案採用了ST 第二代SLLIMMIPM SLLIMM STGIB10CH60TS-L;

壓機驅動採用15A 的 IPM, 功率可以做到 1.5PH, 方案採樣三電阻採樣,三電阻採樣在低頻時採樣窗口足夠大,效果比單電阻好,頻率可以做得更低,方案目前可以做到 1Hz;

對於成本敏感的客戶,可以採樣單電阻採樣,電阻採樣ST官方採樣中間挖坑的方法,社會上普遍採樣移相的方法,兩種方法各有優缺;

室外風機驅動部份,方案採用了ST 第二代SLLIMMIPM SLLIMM STGIPQ3H60T-H;

室外風機驅動採用3A 的 IPM, 功率可以做到 120W。風機功率小,而且負載穩定,所以方案採用單電阻採樣方案,算法採樣無感FOC 控制,差且加入正反轉控制和逆風啟動功能;

輔助電源採用ST的VIPER26LD。VIPER26器件是一款智能高壓轉換器,集成了800 V耐壓功率MOSFET和PWM電流模式控制。 擊穿電壓為800 V的功率MOSFET允許應用擴展的輸入電壓範圍,並減小DRAIN緩衝電路的尺寸。 該IC符合最嚴格的節能標準,具有非常低的功耗,並且在輕負載下也能以突發模式工作。

PFC 的IGBT 門極驅運採用ST 的PM8841D,電子膨脹閥和四通閥的驅動

因此本方案從控制器到全部功率器件都是採用ST 的。方案一個MCU 控制有源PFC,壓縮機變頻驅動,室外風機變頻驅動,是目前市場上最主流性價比最優的變頻空調驅動板的拓撲;

 

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

1. 安全可靠:過電流、超溫和短路保護; 2. 節約成本:有效降低外部零件數量和設計難度; 3. 高集成度,體積小,特別適合小型化的便攜式產品; 4. 操作電壓低,適用電流和溫度範圍寬廣; 5. 功耗低,延長電池使用壽命:幾乎可達到零功耗的狀態(靜態電流可低到80nA); 6. 優勢: > 體積小,晶片集成度高,成本低; > 保護功能全,安全可靠; > 採用FOC算法,有效改善現代物聯網產品的品質及用戶體驗

►方案規格

1. 方案包含了有源單級數字PFC,壓縮機變頻驅動,外風機變頻驅動和流量控制部件的驅動; 2. 基於ST FOC MC SDK固件庫可實現軟體算法: 有源單級數字PFC:CCM; 壓縮機變頻驅動和外風機變頻驅動:FOC; 3. STM32F303RBT6具有Cortex®-M4 內核,最高72MHz的主頻,4個高速運放,7個比較器,4個最高採樣速度5MHz 的ADC; 4. 逆變器橋部份基於ST SLLIMM™系列IPM,設計簡單緊湊;IPM 內部驅動是集成了新的ST專有驅動器IC,具有更好的直通保護功能; 5. PFC部分採用STTH30AC06C超快恢復二極體和STGWT20H65FBIGBT; 6. 方案非常適合滿足新效率標準的房間空調解決方案;同時也適合用於需要數字PFC,以及任何具有功率因數矯正要求的單電機或雙電機應用;

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