家電吹起變頻風(fēng)　BLDC/PMSM前景看俏

　　為了改善家電的節(jié)能及運轉(zhuǎn)效率，不少廠商已開始將家電采用的傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達，汰換成BLDC或PMSM馬達。這兩者皆系透過變頻電路設(shè)計達到可調(diào)速的變頻效果，雖然初期采用成本較高，不過在消費者環(huán)保意識抬頭之下，BLDC及PMSM市場正在穩(wěn)定起飛。


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　　圖4　合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章指出，在消費者環(huán)保意識抬頭之下，BLDC及PMSM市場正在穩(wěn)定起飛。

　　合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章（圖4）表示，傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達存在于大部分家電產(chǎn)品中，其變頻原理系透過簡單的V /F（Voltage/Frequency）來控制馬達轉(zhuǎn)速；而為了提升交流感應(yīng)馬達的功率，業(yè)界已開始透過功率元件構(gòu)成的變頻電路，讓部分采用傳統(tǒng)交流感應(yīng)馬達的小家電能以相同的轉(zhuǎn)速提供較大馬力，不過其效率值仍不理想。

　　潘健章進一步指出，相較之下，透過變頻電路設(shè)計來達到調(diào)速功能的BLDC及PMSM馬達，則擁有靜音、節(jié)能、產(chǎn)品壽命周期長，以及在相同功率下，因能提供馬達較高扭力，所以體積較小等特點，這些都是交流感應(yīng)馬達難以媲美的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代人開始愿意花較高成本來提高生活品質(zhì)，擁有變頻功能的家電產(chǎn)品需求已逐漸涌現(xiàn)。

　　從應(yīng)用產(chǎn)品來看，現(xiàn)階段以變頻空調(diào)發(fā)展相對比較成熟，變頻冰箱和變頻洗衣機則處于起步階段，具有廣闊的市場成長空間，而且對變頻技術(shù)的要求更加苛刻。

　　飛思卡爾（Freescale）亞太區(qū)微控制器（MCU）業(yè)務(wù)拓展與市場經(jīng)理李唐山進一步分析，變頻馬達對于微控制器的運轉(zhuǎn)時脈，及內(nèi)置的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）和脈沖寬度調(diào)變（PWM）都有一定要求。

　　李唐山進一步說明，以磁場導(dǎo)向控制（Field Orientated Control， FOC）的高效能馬達（如PMSM）為例，因應(yīng)馬達的高速旋轉(zhuǎn)需求，ADC速度須至少為1Mbit/s，在采樣的間隔時間內(nèi)，ADC又必須完成三相到兩相靜止坐標系，再到旋轉(zhuǎn)坐標系的變換，以及搭配相關(guān)的運算和控制，并即時完成系統(tǒng)的其他回應(yīng)。

　　不過，李唐山表示，PMSM雖然結(jié)構(gòu)緊湊、性能上適合以弦波控制，所以雜訊更小、效率和可靠性更佳，但囿于成本較高，目前普及率仍不理想，預(yù)計至2015年P(guān)MSM市場才會明顯增長，因此BLDC仍會是未來幾年內(nèi)的主流。

　　圖5　德州儀器馬達事業(yè)部現(xiàn)場應(yīng)用工程師劉俊男認為，MCU廠商為了搶攻變頻馬達商機，已紛紛強化功率半導(dǎo)體元件的戰(zhàn)力。

　　德州儀器（TI）馬達事業(yè)部現(xiàn)場應(yīng)用工程師劉俊男（圖5）亦認為，目前市面上采用BLDC馬達的小家電，僅約占一成多，未來成長空間巨大，因而成為半導(dǎo)體廠商注目的焦點。

　　事實上，BLDC可依照不同產(chǎn)品需求，選擇以方波或弦波控制馬達運作。潘健章解釋，方波控制方案的優(yōu)點為設(shè)計簡單、便宜、馬力大；而使用弦波驅(qū)動方案可大幅降低馬達側(cè)向力的作用，達到降低振動噪音的效果，因此對MCU的規(guī)格要求也較高。

　　潘健章進一步分析，雖然BLDC在馬達理論上是屬于方波電壓馬達，不過為了讓無法導(dǎo)入高成本PMSM馬達的家電，仍能享有趨近于PMSM能效的產(chǎn)品優(yōu)勢，因此也有不少廠商開始推出BLDC馬達改搭弦波控制的方案，尤其是訴求靜音效果的家電更有此需求，如靜音落地扇，而諸如吸塵器、電動機等對噪聲要求不嚴苛的產(chǎn)品，則仍采用方波控制的BLDC馬達。

　　值得注意的是，面對變頻家電帶來的BLDC及PMSM商機，MCU廠商也祭出各種方案搶攻不同的應(yīng)用市場。如合泰半導(dǎo)體針對電動工具、風(fēng)扇等低價位需求的BLDC馬達應(yīng)用，以及冷氣、電冰箱壓縮機、洗衣機等訴求高效能的PMSM應(yīng)用，各祭出8位元及32位元MCU系列；飛思卡爾則是以32位元的數(shù)位訊號控制器（DSC）或是Kinetis KV MCU搭配馬達開發(fā)套件（Motor Suite）來搶攻高效率馬達市場。

　　事實上，無論是BLDC或PMSM，其與交流感應(yīng)馬達最大的不同之處，就在于變頻電路的設(shè)計，因此MCU廠為了強攻變頻馬達市場，除了提升MCU的控制性能之外，亦戮力強化與MCU搭配的功率元件戰(zhàn)力。

　　強化功率元件戰(zhàn)力　MCU廠猛攻直流變頻馬達

　　劉俊男表示，歐盟在2015年時預(yù)計將7.5千瓦（kW）以上之馬達最低能效標準（MEPS）提升至IE3，到2017年時，才將IE3管制范圍向下探至0.75kW以上，從這可以觀察出，相較于7.5kW以上的大功率馬達，要提升小功率馬達的效率相對來說較為困難。

　　劉俊男進一步分析，在過去，由于小型電機系統(tǒng)，為了降低電子電路成本及設(shè)計復(fù)雜度，因此會傾向于采用便宜、設(shè)計簡單的交流感應(yīng)馬達，但其效率往往不佳；不過，因應(yīng)高效率馬達發(fā)展趨勢，透過變頻器（Variable-frequency Drive， VFD）調(diào)節(jié)馬達頻率、速度、功率輸出的變頻馬達，將會加速侵蝕交流感應(yīng)馬達在小功率馬達的市場，而MCU廠商為了搶攻此波商機，亦紛紛強化功率半導(dǎo)體元件的戰(zhàn)力。

　　據(jù)了解，直流變頻馬達的變頻電路，其技術(shù)牽涉層面包括半導(dǎo)體切換元件、變頻器拓撲、控制、模擬技術(shù)，以及控制硬體及韌體等。劉俊男進一步指出，變頻電路指的系由功率元件組成的整合型功率模組（Integrated Power Module， IPM），其包含閘極驅(qū)動器（Gate Driver）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）或絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）等關(guān)鍵元件。

　　以德州儀器為例，該公司即分別針對7.5kW以上及以下的變頻馬達應(yīng)用推出「Driver」及「Pre-driver」功率元件組；另外，由于驅(qū)動電路的導(dǎo)通阻抗和開關(guān)損耗會直接影響馬達系統(tǒng)的能效，飛思卡爾則推出了H橋和雙H橋產(chǎn)品，以降低導(dǎo)通損耗。

　　此外，意法半導(dǎo)體則是同時提供MCU為基礎(chǔ)的控制開發(fā)板，及功率級（Power Stage）電子電路開發(fā)板（Power Board），讓開發(fā)商自由搭配設(shè)計，力求能符合不同產(chǎn)品的應(yīng)用需求（圖6）；盛群半導(dǎo)體則瞄準中國大陸市場，效仿聯(lián)發(fā)科技在中國大陸的成功模式，于1年多前開始針對馬達應(yīng)用推出Turn-key解決方案（圖7），拉攏臺、陸系的功率半導(dǎo)體元件供應(yīng)商，將其解決方案放置在公板平臺上，發(fā)揮一加一大于二的產(chǎn)品戰(zhàn)力。

　　圖6　意法半導(dǎo)體各式馬達控制板與電子電路開發(fā)板　

　　圖7　盛群半導(dǎo)體的Turnkey方案，包含控制板、驅(qū)動板、隔離板。

　　另一個值得關(guān)注的趨勢，則是無感測器馬達應(yīng)用日益受到矚目。

　　為了要感應(yīng)BLDC及PMSM的轉(zhuǎn)子位置，馬達系統(tǒng)中須置入磁性感測器，以將轉(zhuǎn)子位置資訊回授給控制器并輸出相應(yīng)訊號，從而驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)。不過這種設(shè)計方式雖然簡易，但故障率高，因此為降低感測器及相關(guān)線材成本，并延長馬達使用壽命，無感測器馬達設(shè)計已日益受到重視。

　　降低系統(tǒng)成本/故障率　無感測器馬達需求暢旺

　　圖8　新唐科技馬達行銷處處長李新洲談到，無感測器方案對于MCU規(guī)格要求較高，因此過去不廣為所用；不過近年來，馬達開發(fā)商為了降低制造和維護成本，對無感測器BLDC/PMSM方案的需求日益提升。

　　新唐科技馬達行銷處處長李新洲（圖8）表示，目前BLDC及PMSM的運作方式可分為霍爾效應(yīng)感測器（Hall Effect Sensor）或無感測器（Sensor-less）方案。無感測器方案對于MCU規(guī)格要求較高，過去不廣為所用；不過近年來，馬達開發(fā)商為了降低制造和維護成本，對無感測器BLDC/PMSM方案的需求已逐漸攀升。

　　事實上，霍爾感測器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場感測器，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)等方面。在BLDC及PMSM馬達中，霍爾感測器的任務(wù)則是為了要感應(yīng)隸屬于磁性元件的轉(zhuǎn)子位置，并將轉(zhuǎn)子位置參數(shù)回報到MCU，再由MCU依據(jù)轉(zhuǎn)子位置輸出相對應(yīng)的控制訊號，來驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)。

　　李新洲指出，透過霍爾感測器來感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，進而驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)，雖然系統(tǒng)設(shè)計較為簡易，不過其缺點在于返修率高。他進一步解釋，由于霍爾感測器緊臨不斷移動、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子旁，長期以往元件本身難免受損，當霍爾感測器故障時，將牽一發(fā)而動全身，馬達也就無法正常運轉(zhuǎn)。另一方面，某些馬達的機構(gòu)設(shè)計，本就不適合放置霍爾感測器，如空調(diào)系統(tǒng)、洗衣機或冰箱都必須將馬達密閉安裝于壓縮機內(nèi)，這些設(shè)計方式都將限制霍爾感測器的應(yīng)用。

　　相反地，無感測器方案則能省去額外的機械元件及感測器線路，不僅降低物料成本，并提升可靠性，更能減低因霍爾感測器磨損而導(dǎo)致馬達故障的機率。

　　李新洲表示，無感測器方案的原理是透過偵測反電動勢（Back-Electromotive Force， Back-EMF）電壓差，來獲取轉(zhuǎn)子位置資訊。據(jù)了解，反電動勢取決于轉(zhuǎn)子角速度、轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場、定子繞組的匝數(shù)。因此他分析，無感測器方案的 MCU，除須含有ADC、比較器等元件之外，其關(guān)鍵核心在于MCU的演算法如何分析轉(zhuǎn)子的反電動勢波形進而輸出控制訊號。

　　綜合前述，依照產(chǎn)品應(yīng)用需求，馬達可選擇以方波、弦波控制，以及有感測器及無感測器方案，因此MCU可粗分為四種類型，分別為方波霍爾感測器方案、方波無感測器方案、弦波霍爾感測器方案、弦波無感測器方案。

　　值得注意的是，為了同時符合有感測器及無感測方案的應(yīng)用需求，MCU廠商也開始推出雙模方案。李新洲表示，如此一來，即使位處前鋒的霍爾感測器故障，MCU也能立即啟動演算法分析反電動勢電壓差獲知轉(zhuǎn)子位置參數(shù)，讓馬達照常運轉(zhuǎn)。

　　顯而易見，以BLDC及PMSM為首的高效率變頻馬達已成為半導(dǎo)體元件商的關(guān)注焦點，而其中所牽涉的系統(tǒng)控制及電子電路設(shè)計，亦讓MCU及半導(dǎo)體功率元件成為馬達控制系統(tǒng)中的要角，此更將刺激MCU廠商推出各式解決方案，希冀能于高效直流變頻馬達市場中搶得一席之地。