適用于超低溫冷柜的BLDC電機解決方案

引言

一些疫苗對溫度變化高度敏感，從開始生產(chǎn)到給患者注射前都必須在超低溫(ULT)下進行儲存。例如，一些疫苗最初需要超低溫儲存，儲存溫度要保持在-60 °C(-76 °F)以下。在制造工廠和相關(guān)的倉庫中保持這樣的溫度并不困難。但是，在疫苗被運輸?shù)椒职l(fā)地點然后到達接種者的過程中維持這種超低溫度非常困難，并且成本很高。

術(shù)語“冷鏈”指的是運輸溫度變化超出規(guī)定范圍就會變質(zhì)或損壞的產(chǎn)品或材料的供應(yīng)鏈。許多食品、化學(xué)品和藥品都需要有嚴格控制的“冷鏈”物流。深度溫控供應(yīng)鏈中比較難的就是“最后一公里”的問題。對于需要在極低溫度下進行儲存的疫苗，在世界各地的每個疫苗接種點或附近區(qū)域都需要昂貴且技術(shù)復(fù)雜的超低溫冷柜。

超低溫冷柜工作原理

一個使用單級壓縮機制冷循環(huán)的標準短期儲藏冷柜通常只能達到-20 °C的溫度。而超低溫(ULT)冷柜采用多級壓縮機，并采用復(fù)疊式制冷循環(huán)。大多數(shù)超低溫冷柜使用兩級壓縮機，可達到低至-86 °C的溫度。

圖1：兩級復(fù)疊式制冷循環(huán)原理圖

冷藏/冷柜壓縮機是一種用于壓縮冷凝器盤管中的制冷劑的設(shè)備，其工作屬于制冷過程中的一部分。這種壓縮過程會增加壓力并產(chǎn)生熱量，所發(fā)熱量要從制冷劑中帶走。蒸發(fā)器盤管中的壓力要低得多，從而引發(fā)蒸發(fā)過程(這就是冷柜內(nèi)部溫度降低的原因)。蒸發(fā)是一個吸熱過程，所以該過程會吸收熱量。因此，壓縮機被比作制冷系統(tǒng)的“心臟”。

制冷壓縮機通常是使用簡單且廉價的感應(yīng)電機來完成壓縮工作的。為了在不同溫度下提供相應(yīng)的制冷效果，超低溫冷柜中的制冷劑會有所不同。但壓縮機通常是兩臺基于感應(yīng)電機的標準設(shè)備。

超低溫冷柜所面臨的瓶頸

在超低溫冷柜中使用這些基于感應(yīng)電機的標準壓縮機存在一些困難。比較大的一個難題就是效率低。感應(yīng)電機的效率相當?shù)?通常約為70%以下)，這會使它們產(chǎn)生熱量。制冷系統(tǒng)中感應(yīng)電機的所有發(fā)熱量都需要通過制冷循環(huán)過程從系統(tǒng)中帶走。這就意味著制冷系統(tǒng)所做的部分工作只是帶走系統(tǒng)的自發(fā)熱量，而不是帶走冷藏柜的熱量。

圖2：感應(yīng)電機功率因數(shù)和效率

感應(yīng)電機的另一個問題是功率因數(shù)。感應(yīng)電機反應(yīng)靈敏，其可憐的功率因數(shù)還會隨負載的變化而變化。在理想環(huán)境條件和理想負載條件下，也僅能達到理想功率因數(shù)的90%左右。這意味著感應(yīng)電機從線路中獲取的視在功率要高于施加于負載的實際功率。在某些司法管轄區(qū)，包括歐盟和日本(根據(jù)IEC61000-3-2)，法律要求有功率因數(shù)校正電路來維持電力傳輸平衡。

無刷直流電機可成為解決方案

無刷直流(BLDC)電機在一些關(guān)鍵性的原理方面與感應(yīng)電機不同。顯著的一點是，無刷直流電機由直流電壓驅(qū)動，而感應(yīng)電機則由交流電壓驅(qū)動。感應(yīng)電機具有用于產(chǎn)生磁場的線圈，而BLDC電機使用的則是永磁體。感應(yīng)電機易于控制(只要通電就可以了)，而無刷直流電機則需要更復(fù)雜的電子控制。由于這些差異，BLDC電機解決方案的實施成本高于感應(yīng)電機解決方案。

圖3：感應(yīng)電機與BLDC電機

由于成本高以及實施技術(shù)復(fù)雜，BLDC電機尚未用于超低溫冷柜的壓縮機中。但是一些用于新空調(diào)的壓縮機已經(jīng)驗證了這項理念的可行性。ROHM集團的先進技術(shù)和市場條件日益變化都預(yù)示著BLDC壓縮機在超低溫冷柜中的應(yīng)用也許已經(jīng)到了可以一展身手的時候。

在超低溫冷柜中使用基于無刷直流電機的壓縮機將會帶來與額外成本對等的效益。此外，隨著近年來技術(shù)的進步，控制BLDC電機解決方案的成本和復(fù)雜性都得到了顯著改善。

ROHM擁有行業(yè)先進的BLDC電機驅(qū)動器解決方案系列，包括可將其嵌入設(shè)計中來實現(xiàn)所有電機控制的DIP模塊。此外，ROHM的BLDC電機控制專家隨時可以為突破這一瓶頸提供支持。

使用BLDC壓縮機設(shè)計超低溫冷柜的優(yōu)勢

在新的超低溫冰柜設(shè)計中使用基于BLDC的壓縮機的好處是電源效率提高、自發(fā)熱量降低、功率因數(shù)校正。BLDC電機在將電能轉(zhuǎn)化為物理做功方面比感應(yīng)電機更高效。BLDC電機產(chǎn)生的熱量顯著降低，因此制冷系統(tǒng)中進入的熱量更少，從而可實現(xiàn)更高效的冷卻。BLDC電機可以通過使用功率因數(shù)校正技術(shù)使其在功率因數(shù)為1的情況下運行，從而降低視在功率的損耗。

消除重要應(yīng)用中的低效問題

在壓縮機中使用感應(yīng)電機時會使效率降低，而在超低溫冷柜中使用兩個感應(yīng)電機更會使效率指數(shù)級下降。從功率和制熱/制冷循環(huán)的角度來看，其效率是比較低的。無刷直流電機提供了一種令人驚喜的解決方案，但是需要付出一些額外的成本，并且技術(shù)復(fù)雜性也有所增加。但是基于BLDC的壓縮機所帶來的能效和合規(guī)性，可以抵消掉這部分額外的成本。ROHM可以提供豐富的BLDC電機系統(tǒng)產(chǎn)品組合和BLDC電機控制專業(yè)知識，以幫助解決技術(shù)復(fù)雜性高的問題。將感應(yīng)電機替換為BLDC電機在效率方面具有優(yōu)勢。然而，這增加了成本和設(shè)計的復(fù)雜性。ROHM擁有針對BLDC電機的解決方案，使復(fù)雜設(shè)計處理易如反掌。

圖4：ROHM BLDC電機解決方案參考設(shè)計

如圖4所示，ROHM參考設(shè)計可以幫助用戶構(gòu)建具有卓越能效的超低溫冷柜。

無論用戶選擇集成度超高的ROHM IGBT IPM系列，還是希望通過分立元器件得到理想性價比的產(chǎn)品，都可以使用IGBT、MOSFET和柵極驅(qū)動器來協(xié)同工作。這可以使您構(gòu)建出具有低功耗和較小因數(shù)的運行系統(tǒng)。

ROHM IGBT IPM系列具有優(yōu)異的電源管理系統(tǒng)，是高集成度超低溫冷柜的理想解決方案。

BM6437x系列，600 V IGBT IPM，通過利用內(nèi)置IGBT特性和內(nèi)部FRD在高功率下的軟恢復(fù)特性，實現(xiàn)了行業(yè)先進的低噪聲特性。

當布局靈活性和熱性能優(yōu)化成為主要考量因素時，ROHM Field Stop Trench IGBT、RGT/RGS系列或SiC MOSFET、SCT系列是理想選擇。這些分立元器件可以與合適的柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合使用。

在電源方面，ROHM隔離型AC/DC系列可以提供更高的性能和穩(wěn)定性。

為了幫助用戶在更大程度地減少設(shè)計工作量的前提下實現(xiàn)理想性能，ROHM可以基于豐富的經(jīng)驗在用戶的開發(fā)過程中提供全面的應(yīng)用支持。

總結(jié)

現(xiàn)在，是時候該認真考慮超低溫冰柜的BLDC壓縮機設(shè)計了?；贐LDC的超低溫冷柜已是預(yù)備未來不時之需亟需加強的工作之一，ROHM已準備好與愿意直面這項挑戰(zhàn)的設(shè)計工程師的合作。