德州儀器作者: ChrisClearman
愈來愈多的企業和個人設法減少能源足跡和增加再生能源的使用。我們應該關注哪些地方才能夠產生最大的影響力？
工業環境、商業建築和個人住宅中的電動馬達和電源供電占了全球超過 65% 的電力。根據 Our World in Data 指出，60% 的電力來自燃燒煤炭和天然氣，只有不到 10% 來自再生能源。而智慧變頻數位馬達控制的能源耗能能夠降低 25% 以上。智慧數位電源控制能夠盡可能提高太陽能和風能的生產效率，並且盡量減少最高能源消耗的設備所消耗的電源。本文將探討一些智慧控制應用的趨勢，以及智慧控制如何降低能源消耗並提高再生能源效率的範例。
智慧馬達控制
空調 (圖 1) 是電網的主要耗電設備。雖然具體的能源效能標準因地區而異，不過全部設計都需要實施進階馬達控制和功率因數校正 (PFC) 演算法，藉以實現目標額定值並滿足功率因數規格。
控制空調中的每個馬達 (壓縮機、冷卻風扇) 可能需要以高達 20 kHz 的頻率運作控制迴路。另一方面，PFC 通常需要高達 50 kHz 的運作頻率。因此，為了確實操縱多個高頻控制迴路，微控制器 (MCU) 必須能夠快速有效地處理計算，而且延遲必須非常小。
圖 1：空調系統原理圖
用於空調系統的 MCU 需要多個類比轉數位 (ADC) 和脈衝寬度調變 (PWM) 通道，能夠彈性同步開關事件，並且對於兩個逆變器和 PFC 電路個別採樣及控制。電力電子保護需要類比比較器和 PWM 突波消除。
根據國際電工委員會 60730 安全標準法規，用於空調的 MCU 將提供時鐘保護，包括兩個準確度優於 1% 的晶片內建振盪器，以及監視器和時鐘故障偵測電路。
採用數位交錯式 PFC 的雙馬達控制的空調參考設計提供單一 64 針腳 C2000 TMS320F2800137 MCU 的硬體和軟體範例，該 MCU 以數位交錯式 72 kHz 升壓 PFC 級且大於 97% 的效率控制壓縮機和風扇馬達，提供高達 96% 以上的電源效率，以及許多常用的系統和通訊功能 (圖 2)。
圖 2：PFC 轉換器在空調參考設計中展現的功率效率
由於 C2000 即時 MCU 架構經過優化，因此只需要 40 KB 的快閃記憶體和 30% 的中央處理器 (CPU) 運作。這個架構能夠減少感測 (ADC)、處理 (CPU) 和控制 (PWM) 之間的延遲。根據 TI 基準測試，採用 Arm® Cortex®-M7F 的 MCU 需要以 240MHz 的頻率運作，才能達到與我們的 120MHz 裝置相同的整體性能。
這個參考設計可擴展到單馬達和馬達加 PFC 應用，提供更小的 TMS320F2800137 系列 48 或 32 針腳封裝以及 64 KB 至 256 KB 的晶片內建非揮發性快閃記憶體選項。可以使用相同的策略對於變速、可變負載系統中使用的絕大多數馬達提高住宅空調系統的馬達效率，從低壓電池供電裝置到工業應用的最高功耗交流驅動。
智慧數位電源
運用數位電源的目標是更有效創造再生能源，並且最有效轉換和使用能源。例如，太陽能市場的趨勢是從集中式大功率太陽能逆變器轉向微型逆變器和功率優化器等分佈式小功率太陽能系統。通常在每塊太陽能板安裝一個微型逆變器和功率優化器，這些微型逆變器和功率優化器在複雜的陽光條件下能夠達到更低的能量損耗和更高的效率。在太陽能系統中加入更多此類模組級電力電子設備時，即時 MCU 需要降低成本但仍足以對所控制的每個太陽能板執行最大功率點追蹤。
全球持續成長的能源運用需要高效率、小型化和穩定的電源。這項要求對電源轉換系統的設計人員構成挑戰，設計人員必須提供功率密集型設計，也必須滿足「高性能、足夠小」系統的效率和快速瞬態回應需求。此外，將現有的類比設計數位化以提高可擴展性的驅動因素也引起對低成本、高性能即時 MCU 解決方案的需求。
新型即時控制 MCU 系列
TMS320F2800137 是 C2000 即時 MCU 產品組合的最新產品，有助於促使即時技術變得經濟實惠，而且擴展長期的軟體相容平台，為類比和數位設計人員提供低階、中階和進階選項。這個新系列可供馬達控制、電網基礎設施和工業電源應用的工程師創造出能夠減少我們的能源足跡並促進我們有效運用再生資源的產品。
