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功率器件担当空调节能大任 |
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| http://cn.newmaker.com
12/5/2007 9:31:00 AM
佳工机电网
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刘超
在家电产品中，空调一直以高能耗而备受关注。随着变频空调能效标准即将出台，以及2009年3月国家相关部门拟大幅提高空调的能效门槛，如何提高能效成了各企业暗自发力的重点。为了提高空调的能效，从最上游的半导体元器件企业到电机、风机、压缩机以及整机厂家，各自费尽心思。
随着功率半导体的兴起，其在空调节能中的地位日益凸显。功率半导体可以调节变频空调电机的转速，从而达到节能1/4到1/3的效果。使用开关电源来代替传统的线性电源变压器，将大大降低空调待机时的能耗，推动空调1瓦待机的实现，使空调真正实现“开机节能，待机也节能”。
空调能耗核心在电机
随着空调新冷冻年度的启动，节能成了各厂家的卖点。各厂家也纷纷推出高能效的空调新品：海尔推出了''08奥运风直流变频空调，奥克斯也亮出了“节能王”空调，志高更是推出了能效比高达7.4的“三超王”变频空调，号称挑战行业能效的极限。节能空调无疑成为未来的一个发展趋势。我国“十一五”规划纲要提出，到2010年中国万元GDP能耗降低20%左右、主要污染物 排 放 减 少10%，并将其列为重要的约束性指标。
空调如何才能节能？北京工业大学制冷学科部教授李红旗从技术上给《中国电子报》记者做了一个解析。提高空调能效的关键在于提高空调压缩机、电机、风机、换热器等核心零部件的工作效率。其中，压缩机相当于空调的“心脏”，占据了空调耗电量的 80%左右。空调的压缩机是通过电机来驱动氟利昂在压缩机内循环，从而达到制冷的效果。空调的风机也需要使用电机进行驱动，电机占据了压缩机和风机耗电量的绝大部分。
不过，高效的元器件需要科学合理的设计才能将其性能发挥得淋漓尽致。空调企业在设计时，必须要将压缩机、风机等器件进行合理布局。奥克斯空调总工程师朱建军告诉《中国电子报》记者，奥克斯空调非常注重设计，为了降低空调能耗，奥克斯采用了大风量设计、较低的工作压力，同时还采用了高水平的换热器设计，以使得换热器温度均匀，提高换热效率，减少管路损耗。
变频调速最大可节能1/3
“对空调的控制，本质上是对电机的控制。”瑞萨科技北京技术中心总经理常清璞表示。传统的制冷系统采用定转速压缩机，实行开关控制，利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动压缩机，从而调节蒸发温度。电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。
这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流，引起电源电压的波动。而采用变频压缩机替代定转速压缩机，进行变频调速，可以避免这种频繁的起停过程，在达到即将设置的温度前，电机事先减慢速度，依靠惯性达到调至的温度。电机这种运转方式，不但可以节能，而且人感觉也比较舒适。北京工业大学电子信息与控制工程学院教授亢宝位告诉《中国电子报》记者：“利用功率半导体器件对电机进行变频调速，可以节约电能1/4到1/3。”
为了调节电机的转速，半导体企业也纷纷推出一系列解决方案。飞兆半导体技术及应用支持中心亚太区副总裁王瑞兴向《中国电子报》记者透露，飞兆半导体开发了一系列称作SPM模块的紧凑、高性能和高功效的功率半导体器件，对用于空调等小功率压缩机的分立元件变频空调功率单元而言，基于SPM的变频功率模块别具吸引力。飞兆半导体同时还开发了NPT(非穿通型晶体管)、FS(FieldStop)等新型IGBT，大大降低了空调的功耗。
此外，记者还获悉东芝半导体在控制芯片方面推出了成熟的PMD(可编程马达控制)芯片，可以有效地调节电机的转速，使电机运行时振动和噪音大为减小。瑞萨半导体向空调企业提供针对交流感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机等控制的解决方案。
开关电源助力1瓦待机
空调的待机能耗一直备受业界关注。据估算，一台空调年待机耗电就达到25度，以全国1.3亿台的空调保有量计算，我国每年仅空调待机耗电就达到
30亿度以上，相当于一个大型水电站的发电量。为了降低待机能耗，志高今年8月底推出了待机能耗为1瓦的北奥之光空调，长虹不久后推出了更低至0.6瓦的空调，春兰也跃跃欲试，拟推出待机能耗为1瓦以内的空调。
空调大部分待机功耗是由HVIC(高压集成电路)和LVIC(低压集成电路)等驱动IC引起的。空调的供电系统目前大多数还在采用传统的线性变压器方案，这种方式在宽范围输入电压(85V～265VAC)的情况下耗能非常大，而多路输出的要求更加剧了能量的浪费。目前为了解决上述问题，开关电源被引入到空调的设计之中以提高能效。
开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
开关电源在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达0.5%～1%。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断地创新，在待机节能中发展空间也越来越广阔。开关电源提供的输出很稳定，控制也很方便，价格也便宜，待机节能空调中开关电源效率能达到98%甚至更高，而变压器则无法达到。
开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用，是当今电子信息产业飞速发展中不可缺少的一种电源方式，也是待机节能空调中不可缺少的电气控制电路。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，虽然比线性电源采用的电子元件多，但在待机节能空调中开关电源控制电路是实现“一瓦待机”主要组成部分。
“除了使用开关电源之外，还可以在开关电源控制器的设计中采用先进的技术来提高效率，降低待机能耗。”安森美半导体电源管理部中国市场推广经理于辉告诉《中国电子报》记者。据悉，为了降低能耗，安森美半导体推出了很多电源管理解决方案，如跳周期待机模式、PWM控制器主控PFC(轻载时关断PFC以降低待机能耗)。
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