空调室外控制电路开发方案
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方案简介
本设计指南(以下简称本指南描述了规格和操作空调室外机电路(以下简称本设计)的程序。近年来,室外空调装置要求低功耗。由使用高效开关器件的逆变器驱动的无刷电机在压缩机和风扇中已变得常见。此外,无传感器矢量控制越来越多地用于电机控制,因为设备需要具有低成本、高效率和低电机噪声。此外,设备中对更小型电路板的需求也在增加。本设计采用低导通电阻功率MOSFETTK20A60W5用于压缩机驱动的逆变器,实现压缩机的高效驱动。通过使用智能功率器件TPD4204F实现高效、紧凑的风扇电机驱动具有内置栅极驱动器和逆变器电路,用于风扇电机驱动。PFC电感器也通过使用IGBT器件GT30J65MRB实现小型化它具有低开关损耗,并且可以在开关PFC电源电路中以高开关频率工作。此外,通过使用微控制器TMPM4KLFYAUG配备矢量引擎,用单片机实现风扇电机和压缩机的无传感器矢量控制以及PFC电源控制,简化并缩小了室外机电路的尺寸。另外,晶体管阵列TBD62003AFG用作阀门控制驱动器、光电耦合器LP785作为室外机和室内机之间通信的绝缘接口,采用SiC肖特基势二极管TRS24N65FB用作PFC二极管，TC75W59FU作为运算放大器进行信号放大,采用TA75S393F用作比较器来检测。
空调室外机电路板正面图
空调室外机电路板侧面图
空调室外机电路板侧面图（带散热器）
简易框图
参数
项目 | 描述 |
输入电源 | 交流220伏（典型值） |
控制电源 | 直流15伏，直流12伏，直流5伏（内部产生） |
兼容电机和控制方法 | 无刷电机：2通道 风扇电机（电机通道0 压缩机（电机通道1） 无感矢量控制 |
额定输出 | PFC：1500瓦 风扇电机：200瓦 压缩机：1300瓦 |
切换频率（软件设置） | PFC：60千赫 风扇电机：16千赫 压缩机：6.5千赫 |
硬件保护功能 | 交流输入过电流（保险丝20A） PFC过电流（18 A） 风扇电机过电流（1.4 A） 压缩机过电流（17A） 过热和电源电压下降 |
板子尺寸 | 160 x 220 x 80 毫米 |
板子配置 | FR-4双面板1.6毫米厚度，铜箔厚度70微米，单面丝印，单面安装 |
冷却系统 | 强制空气冷却（由室外单元风扇） |
I/O接口 | 阀控制:5通道（四通阀x 1通道，电子膨胀阀x4ch) 室内机通讯:1通道 温度传感器输入:6通道 UART：1路（主机MCU通信） 同步通信:1通道（用于DAC输出） SWD输入/输出:1通道（用于调试） LED:4个（状态显示）,1个（电源开启显示） |
特点
1. 采用低导通电阻功率MOSFET（TK20A60W5）作为压缩机驱动逆变器，提高了整体效率。
2. 使用智能功率器件（TPD4204F）驱动风扇电机，该器件集成了门驱动器和逆变器，简化了电路设计。
3. 采用无传感器矢量控制技术，减少了对外部传感器的需求，降低了成本。
4. 使用单一微控制器（TMPM4KLFYAUG）配备矢量引擎，简化了PFC和电机操作控制，有助于使室外机电路设计更加紧凑。
5. 采用IGBT器件（GT30J65MRB），其具有低开关损耗，适合高频操作，以减小PFC电感器的体积并提高功率效率。
关键器件
空调的操作
空调在制冷模式下的动作
空调制热模式下的动作
上面两张图展示了空调的工作原理。空调利用压缩、冷凝、膨胀（减压）和蒸发来吸收或释放热量。这些过程用于在室内机和室外机之间交换热量以执行空气调节。压缩机压缩在室外机和室内机的热交换器之间循环的制冷剂。当压缩时，制冷剂变成高温高压；当膨胀时，制冷剂变成低温低压。当高温高压的制冷剂被压缩机压缩后供应给室外机的热交换器时，室内机进行冷却；当供应给室内机的热交换器时，室内机进行加热，需要一个风扇来有效地与周围大气交换热交换器的热量。压缩机和风扇的运行是通过电机驱动的，而采用逆变器驱动的电机已变得常见，以提高能效。一个高效地将输入功率转换为直流电的PFC和一个高效地驱动三相电机的逆变器，对于减少空调的能耗至关重要。
无传感器矢量控制
矢量控制能够有效地处理从低速到高速的电机旋转控制，在近年来的电机控制中已变得广泛应用。电机旋转角度检测是矢量控制所必需的。以前使用旋转角度霍尔传感器和编码器，然而在这个设计中，通过检测电机电流来估计旋转角度的技术被使用，从而消除了这些外部元件的需求。
无传感器矢量控制框图
MCU外围电路
MCU外围电路
IGBT门驱动电路
下图展示了IGBT门驱动电路。IGBT的门驱动使用了门驱动IC（IC7）。门驱动的两个通道并联使用，以增强驱动能力。门驱动电压是15V，即门驱动的供应电压（VDD）。这个设计允许用户在IGBT开启和关闭时改变门电阻。可变门电阻Rg的设置可以更改。当IGBT开启时，门电阻Rg(ON)由R43设定，当IGBT关闭时，门电阻Rg(OFF)变为R43和R44之间的并联电阻。在设计的初始状态，D11和R44并未安装，开启和关闭门电阻Rg(ON) = Rg(OFF) = 22Ω。在设计实际套件时，应实施通过系统评估等确认的适当门电阻。
IGBT门驱动电路
缓冲电路
下图展示了PFC电路中使用的缓冲电路。它与IGBT开关和PFC二极管并联连接。RC缓冲电路由R（2个并联X2个串联）=39Ω和C=330pF组成。尽管由于在缓冲电路本身的损耗会导致效率略微下降和温度上升，但由于预期的振铃和开关时电压浪涌的改善，设备可以安全运行。
缓冲电路
本方案相较复杂，所设计的电路比较多，详情请加微信13434773715
服务与支持
- ·整体解决方案：提供完整的空调室外机电路方案以满足客户需求，并根据客户要求进行定制和优化。
- ·PCB :提供PCB板、PCB制造文件、钢网文件、印刷文件、Layout文件。确保布局合理、布线稳定。客户可根据自身需求进行二次开发和布局的调整。
- ·功率型MOSFET、SiC肖特基势垒二极管、光耦的选型：提供功率MOSFET、SiC肖特基势垒二极管和光耦的选型建议，并协助客户进行选型产品的参数和使用指南的获取。
- ·相关设计参考文献：IC相关设计文档、电路拓扑、设计原理解析、主要元器件选型规则、产品行业相关规定。
- ·套料：根据客户需求提供BOM套料，确保器件质量可靠。
器件简介
微控制器 TMPM4KLFYAUG
·本设计采用了TMPM4KLFYAUG微控制器，属于TXZ™+M4A系列，用于PFC和电机控制
- ·内置浮点单元的Arm® Cortex®-M4处理器
- ·工作频率：1至160兆赫，工作电压：2.7至5.5伏
- ·256 KB的代码闪存，32 KB的数据闪存
- ·LQFP64封装
- ·配备硬件IP（A-VE+，12位模数转换器ADC，A-PMD），支持矢量控制和PFC控制的实现
TMPM4KLFYAUG封装
TMPM4KLFYAUG封装
智能功率器件 TPD4204F
该设计使用智能功率器件TPD4204F来驱动风扇电机，TPD4204F是一种高电压三相无刷电机驱动器，内置有额定600V的功率MOSFET，并支持3并联电阻电流感测。内置的电平移位高侧驱动器、低侧驱动器、过热保护电路、欠压保护电路、过流保护、关机（SD）功能，以及输出信号MOSFET，能够使三相无刷电机直接由微控制器的控制信号输入驱动。
- ·电源电压 VBB 600V（Max）
- ·输出电流 Iout 2.5A（Max）
- ·SOP30封装
TPD4204F 内部块图
IGBT GT30J65MRB
该设计采用IGBT GT30J65MRB作为PFC电路中的开关元件
- ·在RC配置中内置自由轮二极管（FWD）
- ·增强模式
- ·高速开关：开关时间 t_r = 40 ns（典型值）（集电极电流 I_C = 15 A，栅极电阻 R_G = 56 Ω）
- ·低饱和电压：饱和电压VCE(sat) = 1.40 V（典型值）（集电极电流I_C = 30 A）
- ·高结温：结温Tj = 175 °C（Max值）
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GT30J65MRB内部电路配置及封装（TO-3P(N)）
功率MOSFET TK20A60W5
这个设计采用功率MOSFET TK20A60W5作为逆变器电路中的开关元件，用于驱动压缩机。
- ·快速反向恢复时间：tr = 110 ns（典型值）
- ·由于使用超级结构DTMOS，导通电阻低：RDS(on)= 0.15Ω（典型值）
- ·易于控制闸极开关
- ·增强模式：阈值电压Vth = 3至4.5 V （VDS = 10 V, ID = 1 mA ）
TK20A60W5内部电路配置及封装（TO-220SIS）
晶体管阵列TBD62003AFG
这个设计使用TBD62003AFG晶体管阵列来控制空调阀门，TBD62003AFG是一个带有内置输出钳位二极管的七通道DMOS晶体管阵列，该二极管可以钳制在驱动感性负载时产生的反向电动势。
- ·7个内置电路
- ·高电压：输出电压VOUT = 50 V（Max）
- ·高输出电流：IOUT= 500 mA/ch（通道）（Max）
- ·输入电压（输出开）：2.5 V（最小）
- ·输入电压（输出关）：0.6 V（Max）
TBD62003AFG电路配置及封装（SOP16-P-225-1.27）
光耦合器TLP785
这个设计采用TLP785光耦合器进行空调室内单元的通信，TLP785是一种高介电强度的光耦合器，它结合了一个红外发光二极管和一个硅光晶体管。
- ·集电极-发射极电压：80V（最小）
- ·电流传输比率：50%（最小）
- ·绝缘电压：5000 Vrms（最小）
- ·UL认证：UL 1577，文件编号E67349
- ·CUL认证：CSA组件接受服务编号5A 文件编号E67349
- ·VDE批准：EN 60747-5-5
- ·SEMKO批准：EN 62368-1
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TLP785电路配置及封装（DIP4(TLP785)）
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