半导体厂商:竞技家电变频领域

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        作为通讯乃至军事行业的技术支撑者,半导体厂商曾经离家用电器行业很“远”,而现在,随着家电应用市场和功能的扩展,消费者对家电产品的质量和技术的要求越来越高,半导体厂商转身成为了家电变频技术的竞技者。

        电机控制IC:争奇斗艳

        家用电器是中国最先推广节能标准及标识的产品,家电电力消耗的主力是电机,电机的高效、节能成为大势所趋,家电电机控制IC于是成为半导体企业的新热点。目前用于电机控制的IC产品主要包括针对电机控制应用的MCU(微控制器)、DSP(数字信号控制技术)以及专用的电机控制芯片。

       据家电业内人士介绍,虽然DSP技术能够提高电机控制的性能,但由于DSP产品价格较高,目前DSP技术被很多家电企业作为储备技术。真正最多应用于家电的电机控制IC产品是MCU。来自家电行业的信息显示,意法半导体(ST)、NEC、瑞萨半导体是家电电机控制的主要MCU产品提供商。

       飞兆半导体(韩国)公司高级经理 Sung-Il Yong向《电器》记者介绍说,带有电机控制外设的8位MCU通常用于无刷直流电机(BLDC) 的方波控制。不过,为了减少噪声、提高精度和电机控制效率,32位RISC MCU越来越多地用于家用电器,尤其是空调中。

       Sung-Il Yong表示,家电用MCU的发展趋势是将控制功能集成在一个MCU中,例如,用一个MCU控制压缩机的逆变器、PFC和户外风扇电机。这样,需要采用性能更高的MCU,32位RISC MCU目前是家电高端变频控制的最适合的解决方案。

       ST微控制器产品部总经理Jim Nicholas也表示,融低功耗、易用性和低成本于一身的32位控制器有发展前景。2007年,ST曾推出适用于白色家电的32位微控制器系列产品。新产品采用了ARM公司为要求实现高性能(1.25DhrystoneMIPS/MHz)、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARMCortex-M3内核。STM32系列产品配有成套的ST和第三方的开发工具。ST提供一个评估板、USB开发工具包和一个免费的软件库,非常方便开发人员设计外围功能。

         Sung-Il Yong同时认为,如果DSP的价格可以降低到32位RISC MCU的价格,未来家电电机控制IC发展趋势将是转向采用DSP技术。目前德州仪器(TI)和美国微芯科技(Microchip)等公司都有专门针对家电行业开发的DSP技术。

        国际整流器公司(IR)中国区总经理邢安飞则认为,专用的电机控制芯片更有市场竞争力,未来将获得更广泛的应用:“IR将变频控制的算法硬件化,作为专用芯片组的一部分,减少了用户编程的时间和成本。这样的硬件化平台传输和反应速度更快,且成本很有竞争优势。”据《电器》记者了解,IR目前在中国推广的iMOTION集成功率设计平台,内置微处理系统,可以实现对压缩机和风机的双路控制(也可以实现单路控制,省去了风机控制部分)。专用控制芯片内各硬件单元之间可以实现调控组合,且为客户预留了开发空间。该芯片组分别集成了一个可工作的完整PMSM调速驱动器所需的周边控制和功率半导体器件,还包含了三相逆变器驱动IC和高电压电流传感IC,以提供数字控制IC和功率部分之间的必要链接。邢安飞表示,目前IR开发的专用电机控制芯片方案已经在中国生产的空调上批量应用,这个方案IR还在进一步改进,未来开发成本有可能会进一步降低。“iMOTION 集成设计方案改进算法,可以在不提高整体系统成本的前提下,节约一半的电能。该方案还可以将节能电机产品控制系统的开发周期从原来的8~9个月减少到2个月左右。最重要的是,相比于软件控制,硬件平台的性能更好,更稳定。” 邢安飞强调说。

      功率器件向高集成智能功率模块发展

      虽然单个功率器件的效率越来越高,控制简化,但电路的复杂性给生产和测试带来不便。功率模块是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决,因而易于使用, 可靠性高。以变频空调为例,目前中国的变频空调大部分都采用IPM功率模块。

       据《电器》记者了解,功率模块是采用微电子技术和先进的制造工艺,把功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体,能实现智能功率控制的商品化部件。模块大多采用密封式结构,以保证良好的电气绝缘和抗震性能。用户只须了解模块的外围特性,即可使用。因此,它能简化设计工作,缩短系统的研制周期。国内外许多著名的模块厂商的产品都通过了IEC950(国际电工委员会)或UL1950(美国)、GS(德国)、CE(欧共体)安全认证,其质量可靠、安全性好、抗干扰性强、符合电磁兼容性(EMC)标准、便于维修。

       据《电器》记者了解,向家用电器行业提供功率模块的企业主要是飞兆半导体和三菱半导体等企业。据Sung-Il Yong介绍,飞兆半导体能够为变频空调生产企业提供一整套高能效模块产品,包括Motion-SPM 和 PFC-SPM。飞兆半导体的 PFC-SP模块为设计人员提供了紧凑的“绿色”解决方案,适用于空调和工业逆变器设计,提高了系统可靠性和效率,同时减小了电路板空间。这些智能功率模块专为 3kW~6kW 功率范围电机控制应用的全开关型功率因数校正(PFC) 电路而设计,每款 PFC-SPM 器件均在44×26.8mm 的高散热效率的封装中集成了两个快速恢复二极管、两个续流二极管(freewheeling diode)、两个 IGBT、一个栅级驱动 IC、一个电流检测电阻和一个热敏电阻。PFC-SPM 是高度集成的模块,与分立器件解决方案相比,可节省 50% 的电路板面积,并内置了多种保护功能,增强了可靠性。这些器件提供 99%(典型值)的功率因数,以满足强制性 PFC 标准(IEC61000-3-2);支持 40kHz 的开关工作频率,能够减少功率损耗。

        据悉,目前飞兆的功率模块方案已经在三星、大金等品牌产品上广泛应用,其中仅大金一家,飞兆每年就要提供40万个微型SPM模块。在青岛,飞兆还设立了全球功率资源中心(Global Power ResourceSM),配备了技术专家与中国的消费电子品牌厂家和白色商品制造商合作。

        在中国市场,三菱、东芝等公司生产的IPM“智能”功率模块则广受欢迎。这种模块把开关器件的驱动保护电路也装到了功率模块中去,构成了“智能化”的功率模块(IPM),不仅缩小了整机的体积,也方便了整机的设计制造。三菱电机分属机构科菱机电(上海)有限公司半导体事业部应用技术课经理宋高升称, 目前三菱在中国消费电子即变频空调、冰箱、洗衣机的功率控制模块领域已经占据了60%的市场份额。

       有消息人士称,由于中国家电企业集中采购三菱的IPM产品,2008年年初三菱的IPM模块销售甚至出现了供不应求的状况。

        据悉,三菱目前用于变频家电上的IPM器件主要是三菱第三代、第四代DIP-IPM。2008年年初,三菱电机(MitsubishiElectric)还新推出第五代L1系列智能功率模块,其将硅片温度传感器设置在IGBT硅片正中央处,实现了更加精确迅速的硅片温度检测。该系列IPM采用全栅型CSTBT硅片技术,具有比L系列IPM更低的损耗以及更加优化的VCE与Eoff折衷曲线。L1系列智能功率模块主端子有针脚型和螺丝型两种形式,同样电流电压等级的L1系列IPM与L系列IPM的封装完全兼容。此外,L1系列IPM还首次开发了25A/1200V和50A/600V的小封装产品以满足客户节约成本的需求。

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