瑞萨节能的“功能模块”解决方案

“功能模块”是由瑞萨的高性能MCU和功率器件、模拟器件组合而成的，将硬件、软件和系统技术作为整套解决方案提供给客户。通过这种方式，可缩短系统开发的时间、减少元器件的数量，推动系统的更高性能、更高功能。

推进低功耗化的电力电子技术

电力电子技术是指，生成电能（发电）、输送电能（输电）、改变电能（变电）、储存电能（蓄电）这个系统整体的名称，也包含构建并运用该系统的含义。
电力电子是由电路技术、控制技术、运用技术等技术组成。当前电力电子的最大目的可以说是减少电耗。如何更高效地发电、输电、变电、蓄电，支撑电力电子的技术为推动低功耗化而不断进行着改良。

电力电子技术开发的
现状与课题

为降低功耗,今天的电力电子系统追求精确的工作控制，高效率的运转,降低能耗的浪费。因此，传统的模拟控制将被使用MCU进行的数字控制所替代。
模拟控制对于电力电子技术的电路设计者来说,并不需要了解MCU的知识.但一旦到了数字控制的时代,电力电子技术的电路在设计时就必须要对MCU及适合其的器件有足够的了解.同样,软件设计者也必须理解复杂的电力电子技术电路。

实际上,我们能从很多电力电子技术电路的模拟设计者那里听到他们难以适应MCU和MCU软件开发导致摸不到头绪等反应。
此外,在设计时也要从功能、性能和成本出发，光是选择最合适的MCU和与其匹配的器件就要花费大量的时间。
并且，对于越来越多需要数字运算控制的电力电子技术系统来说，灵活运用比传统MCU更高性能的MCU，并融合电力电子技术电路和控制软件的高精度系统设计，就需要设计者具备更高的知识和经验。

电力电子技术系统开发课题的“答案”
期待“功能模块”

长期以来，瑞萨对于IGBT和MOSFET等功率器件以及模拟数字IC、光电耦合器、驱动器IC等产品推出了低端到高端的各类控制用MCU，而瑞萨提案把电力电子技术电路基本功能的“AC-DC”、“DC-DC”、“DC-AC”功能作为“功能模块”将充分发挥这种技术实力。
由此，为了实现所要求的功能，瑞萨可以支持从MCU和功率器件、各类IC的全方位提案到系统实现。

之前也曾提到，推进数字控制的电力电子技术系统在开发时，电力电子技术电路设计者对于MCU和MCU软件开发的知识和经验不足，以及对MCU及各器件的选择上所花费的时间都是一大课题。
但在使用瑞萨作为“功能模块”所推荐的MCU和各器件后，设计者们无需在选择上花费太多时间，可以将精力更集中到电路设计和软件开发中去。此外，瑞萨还准备了大量MCU例程以及器件使用方法等技术资料，设计者们可以得到充分可靠的支持。
此外，设计者们还可以通过参加瑞萨安排的器件应用和电力电子技术电路设计、MCU控制程序开发等各类研讨会，设计出更高水准的电路。

瑞萨提供的“功能模块”可以说是克服电力电子技术系统开发课题的“答案”吧。

电力电子技术系统的“功能模块”

普通的电力电子系统由数个功能模块组成，其功能模块可以找到通用的结构。输入为模拟信号，输出为PWM（Pulse Width Modulation）信号，控制电路由MCU和程序构成，电源电路由驱动电路和功率器件构成。

图1：面向普通电力电子技术的功能模块结构。即使用途不同，结构也能通用

输入的模拟信号有电圧、电流、温度、转速等。输出的PWM信号则振幅恒定，持续时间不同的脉冲序列来驱动IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）和功率MOS FET等功率器件。控制电路将控制算法作为软件程序集成在内。即使是相同的功能模块也可以通过更改程序来满足不同的规格。

下面让我们实际看一下使用了瑞萨提供的活用“功能模块”的电力电子技术系统中，特别受关注的4个领域的案例吧。

 

◆最大程度发挥太阳能的家用太阳能调节器

首先我们要介绍的是家用太阳能发电系统。该系统被称作“家用太阳能调节器”，由“DC/DC升压模块”、“变频器模块”和MCU组成的控制电路构成。太阳能电池板发电产生的直流电通过变频器转换为交流电后输送给商用电源系统。

太阳能电池板的输出功率除了会因日照条件发生变动之外，还会因负载侧要求的电压发生变动。而这时利用MCU控制DC/DC升压模块， 通过一种叫做“最大功率点跟踪（MPPT：Maximum Power Point Tracking）”的控制方式使太阳能电池的输出功率一直保持在最大值。

图2：家用太阳能调节器。使用调节器控制将太阳能电池板的输出功率一直保持在最大值。
DC/DC升压模块、变频器模块和控制电路均可使用瑞萨的产品

◆实现节能及静音的空调用电机变频器

接下来要介绍的是家用空调的电机控制系统。该系统被称作“空调用电机变频器”，由“PFC（Power Factor Correction）模块”、“三相变频器模块”和MCU组成的控制电路构成。PFC模块可以把输入的商用电源交流电整流成直流电，同时去除谐波噪音。三相变频器模块将直流电转换为三相（三个电势相位互差120度）的交流电，平稳驱动电机。通过传感器监测电机的转速，通过MCU将功能模块的工作一直控制在最佳值。

图3：空调用电机变频器。通过平稳控制空调的电机来降低功耗和杂音。
PFC模块、三相变频器模块、控制电路均可使用瑞萨的产品

◆高效后备电源的UPS（不间断电源供电装置）

接下来要介绍的是小型UPS的应用实例。该系统可以在商用电源因某种原因停止送电时作为备用电源来供电。不同的UPS其供电时间也有从3分钟到3小时。

UPS由“PFC模块”、“DC/DC升压模块”、“变频器模块”和MCU组成的控制电路构成。PFC模块可以把商用电源输入的交流电整流为直流电，同时去除谐波噪音。直流电存储在UPS内部的蓄电池内。DC/DC升压模块平时把PFC的输出转换成合适的直流电圧，同时向蓄电池供电。停电时，从蓄电池中输出并升压至合适的直流电圧。变频器模块将DC/DC升压模块输出的电流转换成与商用电源相同的交流电。

图4：小型UPS（不间断电源供电装置）。当商用电源因某种原因停止送电时，
内置电池可输出直流电，作为与商用电源相同的交流电进行供电。
PFC模块、DC/DC升压模块、变频器模块、控制电路均可使用瑞萨的产品

◆支持下一代汽车的电动汽车（EV）用充电站

最后介绍的是电动汽车（EV）用充电站的例子。EV用充电站是可在短时间内对电动汽车（EV）进行充电所必需的新系统，相信今后在国内外的数量会呈现急速增长。

EV用充电站由“三相PFC模块”、“绝缘型DC/DC转换器模块”和MCU组成的控制电路构成。输入电源并不是平时的 100V交流电源，而是三相200V交流电源。为缩短充电时间还使用了大功率的电源。三相PFC模块和与前面说过的PFC模块相同，可以把三相交流电转变为直流电。绝缘型DC/DC转换器模块将输入和输出进行电气绝缘，同时生成EV充电时所需的高电圧和大电流。

图5：电动汽车（EV）用充电站。200V三相交流电源输出大功率，
转变为直流电后产生高速充电所需的电圧和电流。
三相PFC模块、绝缘型DC/DC转换器模块、控制电路均可使用瑞萨的产品

至此，田本博士向我们介绍了许多活用“功能模块”的电力电子技术系统实例。下一回我们就要介绍支撑起“功能模块”解决方案的瑞萨MCU及功率器件、模拟器件产品。