瑞薩節(jié)能的“功能模塊”解決方案 - 全文

“功能模塊”是由瑞薩的高性能MCU和功率器件、模擬器件組合而成的，將硬件、軟件和系統(tǒng)技術(shù)作為整套解決方案提供給客戶。通過這種方式，可縮短系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間、減少元器件的數(shù)量，推動系統(tǒng)的更高性能、更高功能。

推進(jìn)低功耗化的電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)是指，生成電能（發(fā)電）、輸送電能（輸電）、改變電能（變電）、儲存電能（蓄電）這個(gè)系統(tǒng)整體的名稱，也包含構(gòu)建并運(yùn)用該系統(tǒng)的含義。
電力電子是由電路技術(shù)、控制技術(shù)、運(yùn)用技術(shù)等技術(shù)組成。當(dāng)前電力電子的最大目的可以說是減少電耗。如何更高效地發(fā)電、輸電、變電、蓄電，支撐電力電子的技術(shù)為推動低功耗化而不斷進(jìn)行著改良。

電力電子技術(shù)開發(fā)的
現(xiàn)狀與課題

為降低功耗,今天的電力電子系統(tǒng)追求精確的工作控制，高效率的運(yùn)轉(zhuǎn),降低能耗的浪費(fèi)。因此，傳統(tǒng)的模擬控制將被使用MCU進(jìn)行的數(shù)字控制所替代。
模擬控制對于電力電子技術(shù)的電路設(shè)計(jì)者來說,并不需要了解MCU的知識.但一旦到了數(shù)字控制的時(shí)代,電力電子技術(shù)的電路在設(shè)計(jì)時(shí)就必須要對MCU及適合其的器件有足夠的了解.同樣,軟件設(shè)計(jì)者也必須理解復(fù)雜的電力電子技術(shù)電路。

實(shí)際上,我們能從很多電力電子技術(shù)電路的模擬設(shè)計(jì)者那里聽到他們難以適應(yīng)MCU和MCU軟件開發(fā)導(dǎo)致摸不到頭緒等反應(yīng)。
此外,在設(shè)計(jì)時(shí)也要從功能、性能和成本出發(fā)，光是選擇最合適的MCU和與其匹配的器件就要花費(fèi)大量的時(shí)間。
并且，對于越來越多需要數(shù)字運(yùn)算控制的電力電子技術(shù)系統(tǒng)來說，靈活運(yùn)用比傳統(tǒng)MCU更高性能的MCU，并融合電力電子技術(shù)電路和控制軟件的高精度系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就需要設(shè)計(jì)者具備更高的知識和經(jīng)驗(yàn)。

電力電子技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)課題的“答案”
期待“功能模塊”

長期以來，瑞薩對于IGBT和MOSFET等功率器件以及模擬數(shù)字IC、光電耦合器、驅(qū)動器IC等產(chǎn)品推出了低端到高端的各類控制用MCU，而瑞薩提案把電力電子技術(shù)電路基本功能的“AC-DC”、“DC-DC”、“DC-AC”功能作為“功能模塊”將充分發(fā)揮這種技術(shù)實(shí)力。
由此，為了實(shí)現(xiàn)所要求的功能，瑞薩可以支持從MCU和功率器件、各類IC的全方位提案到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

之前也曾提到，推進(jìn)數(shù)字控制的電力電子技術(shù)系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)，電力電子技術(shù)電路設(shè)計(jì)者對于MCU和MCU軟件開發(fā)的知識和經(jīng)驗(yàn)不足，以及對MCU及各器件的選擇上所花費(fèi)的時(shí)間都是一大課題。
但在使用瑞薩作為“功能模塊”所推薦的MCU和各器件后，設(shè)計(jì)者們無需在選擇上花費(fèi)太多時(shí)間，可以將精力更集中到電路設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)中去。此外，瑞薩還準(zhǔn)備了大量MCU例程以及器件使用方法等技術(shù)資料，設(shè)計(jì)者們可以得到充分可靠的支持。
此外，設(shè)計(jì)者們還可以通過參加瑞薩安排的器件應(yīng)用和電力電子技術(shù)電路設(shè)計(jì)、MCU控制程序開發(fā)等各類研討會，設(shè)計(jì)出更高水準(zhǔn)的電路。

瑞薩提供的“功能模塊”可以說是克服電力電子技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)課題的“答案”吧。

電力電子技術(shù)系統(tǒng)的“功能模塊”

普通的電力電子系統(tǒng)由數(shù)個(gè)功能模塊組成，其功能模塊可以找到通用的結(jié)構(gòu)。輸入為模擬信號，輸出為PWM（Pulse Width Modulation）信號，控制電路由MCU和程序構(gòu)成，電源電路由驅(qū)動電路和功率器件構(gòu)成。

輸入的模擬信號有電圧、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等。輸出的PWM信號則振幅恒定，持續(xù)時(shí)間不同的脈沖序列來驅(qū)動IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）和功率MOS FET等功率器件?？刂齐娐穼⒖刂扑惴ㄗ鳛檐浖绦蚣稍趦?nèi)。即使是相同的功能模塊也可以通過更改程序來滿足不同的規(guī)格。

下面讓我們實(shí)際看一下使用了瑞薩提供的活用“功能模塊”的電力電子技術(shù)系統(tǒng)中，特別受關(guān)注的4個(gè)領(lǐng)域的案例吧。

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◆最大程度發(fā)揮太陽能的家用太陽能調(diào)節(jié)器

首先我們要介紹的是家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱作“家用太陽能調(diào)節(jié)器”，由“DC/DC升壓模塊”、“變頻器模塊”和MCU組成的控制電路構(gòu)成。太陽能電池板發(fā)電產(chǎn)生的直流電通過變頻器轉(zhuǎn)換為交流電后輸送給商用電源系統(tǒng)。

太陽能電池板的輸出功率除了會因日照條件發(fā)生變動之外，還會因負(fù)載側(cè)要求的電壓發(fā)生變動。而這時(shí)利用MCU控制DC/DC升壓模塊， 通過一種叫做“最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT：Maximum Power Point Tracking）”的控制方式使太陽能電池的輸出功率一直保持在最大值。

◆實(shí)現(xiàn)節(jié)能及靜音的空調(diào)用電機(jī)變頻器

接下來要介紹的是家用空調(diào)的電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱作“空調(diào)用電機(jī)變頻器”，由“PFC（Power Factor Correction）模塊”、“三相變頻器模塊”和MCU組成的控制電路構(gòu)成。PFC模塊可以把輸入的商用電源交流電整流成直流電，同時(shí)去除諧波噪音。三相變頻器模塊將直流電轉(zhuǎn)換為三相（三個(gè)電勢相位互差120度）的交流電，平穩(wěn)驅(qū)動電機(jī)。通過傳感器監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過MCU將功能模塊的工作一直控制在最佳值。

◆高效后備電源的UPS（不間斷電源供電裝置）

接下來要介紹的是小型UPS的應(yīng)用實(shí)例。該系統(tǒng)可以在商用電源因某種原因停止送電時(shí)作為備用電源來供電。不同的UPS其供電時(shí)間也有從3分鐘到3小時(shí)。

UPS由“PFC模塊”、“DC/DC升壓模塊”、“變頻器模塊”和MCU組成的控制電路構(gòu)成。PFC模塊可以把商用電源輸入的交流電整流為直流電，同時(shí)去除諧波噪音。直流電存儲在UPS內(nèi)部的蓄電池內(nèi)。DC/DC升壓模塊平時(shí)把PFC的輸出轉(zhuǎn)換成合適的直流電圧，同時(shí)向蓄電池供電。停電時(shí)，從蓄電池中輸出并升壓至合適的直流電圧。變頻器模塊將DC/DC升壓模塊輸出的電流轉(zhuǎn)換成與商用電源相同的交流電。

◆支持下一代汽車的電動汽車（EV）用充電站

最后介紹的是電動汽車（EV）用充電站的例子。EV用充電站是可在短時(shí)間內(nèi)對電動汽車（EV）進(jìn)行充電所必需的新系統(tǒng)，相信今后在國內(nèi)外的數(shù)量會呈現(xiàn)急速增長。

EV用充電站由“三相PFC模塊”、“絕緣型DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊”和MCU組成的控制電路構(gòu)成。輸入電源并不是平時(shí)的 100V交流電源，而是三相200V交流電源。為縮短充電時(shí)間還使用了大功率的電源。三相PFC模塊和與前面說過的PFC模塊相同，可以把三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟＝^緣型DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊將輸入和輸出進(jìn)行電氣絕緣，同時(shí)生成EV充電時(shí)所需的高電圧和大電流。

至此，田本博士向我們介紹了許多活用“功能模塊”的電力電子技術(shù)系統(tǒng)實(shí)例。下一回我們就要介紹支撐起“功能模塊”解決方案的瑞薩MCU及功率器件、模擬器件產(chǎn)品。