在數據中心、暖通空調（HVAC）以及電池儲能系統(tǒng)（BESS）飛速發(fā)展的當下，高功率冷卻系統(tǒng)的重要性愈發(fā)凸顯。作為這些系統(tǒng)的關鍵一環(huán)，電機控制技術的優(yōu)劣直接影響著冷卻效率與能耗。為解決這些痛點，ST推出用于高功率冷卻系統(tǒng)的電機控制解決方案，助力節(jié)能與高效。

高功率冷卻系統(tǒng)的市場“熱”情與能耗“痛點”

當前，數據中心的規(guī)模呈指數級擴張，HVAC在各類建筑中的普及，以及BESS在電網穩(wěn)定中的關鍵作用，都讓高功率冷卻系統(tǒng)市場持續(xù)升溫。數據顯示，2022年數據中心冷卻業(yè)務市場規(guī)模為31.4億美元，預計到2032年將飆升至311億美元；HVAC業(yè)務2023年規(guī)模達2940億美元，2032年有望增至4810億美元；BESS業(yè)務從2023年的54億美元，預計到2030年增長至269億美元，市場潛力巨大。

然而，高功率冷卻系統(tǒng)的能耗問題卻不容小覷。作為冷卻系統(tǒng)的“動力心臟”，電機消耗著系統(tǒng)中約40%的能源。特別是AI服務器，預計2030年AI消耗的電力可能占全球的10%以上，其中電機能耗更是大頭。以典型數據中心為例，要帶走CPU、GPU等產生的熱量，大概需配備800kW左右的散熱方案，其中散熱風扇500kW，冷卻器300kW。整個數據中心實際耗能在2MW左右，冷卻能耗占到四成。

高效電機驅動器助力冷卻系統(tǒng)節(jié)能

采用高效電機驅動器是解決高功率冷卻系統(tǒng)能耗問題的關鍵。采用IE4、IE5等級的高效電機，相比IE2和IE3電機可節(jié)約5-15%的能源；運用寬禁帶半導體變頻調速技術；電機變速驅動裝置根據電流需求調整電機速度，能節(jié)約20-60%的能源；驅動裝置還可根據負載優(yōu)化電機磁通量，最多節(jié)約20%；再加上分布式dPFC提升電能質量，最后，使用系統(tǒng)分析進行冷卻優(yōu)化，節(jié)約約30%。

ST 10kW電機+三相Vienna PFC方案：冷卻系統(tǒng)的“節(jié)能利器”

ST推出的10kW永磁同步電機驅動方案，搭配三相Vienna PFC，堪稱冷卻系統(tǒng)的“節(jié)能利器”。在此方案中，MCU選用170MHz主頻的STM32G431，猶如整個系統(tǒng)的“智慧大腦”，精準調控各個環(huán)節(jié)。

在硬件搭建上，Vienna PFC部分和電機控制部分采用分立器件。Vienna部分包括1200V/30A的STTH30S12W二極管、650V/40A的STGWA40H65DFB2 IGBT，電機控制部分包括1200V40A的STGWA40M120DF3 IGBT。電機采樣拓撲支持三電阻和單電阻采樣，靈活適應不同場景；隔離驅動采用STGAP2S，高壓軌1700V，抗擾性能達100V/us，傳播延時僅75ns，還具備多種保護功能，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行保駕護航。

STM32G431堪稱集成模擬外設的“多面手”，內部集成豐富模擬外設，運算放大器精度為12位，過采樣可提升至16位，用于電流采樣；比較器與運放配合實現硬件過流保護；DAC在調試時監(jiān)控變量，強大的模擬功能為電機控制和PFC調節(jié)提供精準數據支持。

650V HB2系列IGBT是PFC的“節(jié)能先鋒”，該系列IGBT的VCESAT較低，在1.55V-1.65V之間，裸晶片中電流能力15A-100A，Qg比HB系列更低，關斷特性軟，電壓尖峰低，還有多種二極管選項，廣泛應用于PFC、太陽能等領域，能有效提升電能質量，降低能耗。

1200V M系列IGBT是電機控制的“動力擔當”：1200V M系列IGBT的VCESAT在1.7V-1.85V，電流能力覆蓋8A-50A，裸晶片中最高達75A，開關頻率2-20kHz，短路時間10us，適用于電機控制、變頻器等，為電機穩(wěn)定高效運行提供可靠保障。

多維度技術優(yōu)化：成就節(jié)能、高效、精準

ST意法半導體的解決方案通過多維度的技術優(yōu)化，實現了節(jié)能、精準和高效的理想效果。

任務時序優(yōu)化：提升效率

本方案只用一個MCU同時控制電機和Vienna PFC，因此合理規(guī)劃任務時序至關重要。PFC任務優(yōu)先級高于電機控制FOC任務，方案通過精準分配MCU資源，可避免計算量失衡，提升了處理效率。例如，在ADC2 INT中執(zhí)行5kHz的MC FOC任務，在TIM6 INT中執(zhí)行20kHz的PFC VOC任務，有條不紊。

STM32G431 CPU的負載測試結果顯示，壓縮機開關頻率為5kHz，FOC控制頻率也為5kHz，任務持續(xù)時間為9.5us，占用4.8%的CPU負載。PFC開關頻率為40kHz，VOC電壓矢量控制任務頻率為20kHz，占用CPU負載約57.1%，加上其他低頻任務，共計占用CPU負載不超過67.7%，這充分說明了STM32G431強大的性能優(yōu)勢和高效的處理能力。

本方案使用64引腳的STM32G431RBT6，其中有18個未使用引腳，用戶可利用這些剩余引腳做一些自定義設計。

高精度采樣與諧波控制：保障性能

電流諧波不提供有功能量交換，會降低系統(tǒng)效率，在數據中心或通信基站等場景還可能影響到通信，因此降低諧波能大幅提升系統(tǒng)性能。本方案通過過采樣將PFC的電壓電流采樣精度提高到15位，過采樣率為8，用TIM2觸發(fā)采樣，在一個開關周期內對電網電壓和電流進行8次采樣。此外，還額外加入諧波濾波器，有效控制5次、7次、11次、13次等諧波。

實測數據見證實力：方案性能經得起考驗

從實驗數據來看，該方案表現十分出色。在不同功率工況下，Vienna PFC的iTHD控制良好，1kW工況下iTHD在11.25%左右，3kW工況下約為4.156%，滿足數據中心、儲能應用在30%負載下電流iTHD小于6%的要求；10kW負載下的輸入電流iTHD在1.7%左右，諧波含量低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

壓縮機測試波形也顯示，該方案能穩(wěn)定驅動壓縮機運行，無論是低功率還是高功率場景，都能應對自如，充分證明了方案在實際應用中的可靠性。

總結

ST的10kW永磁同步電機驅動方案搭配三相Vienna PFC，通過多維度的技術優(yōu)化，實現了節(jié)能、精準和高效的理想效果。從任務時序優(yōu)化到高精度采樣與諧波控制，再到實測數據的驗證，該方案在節(jié)能與高效方面表現出色，為高功率冷卻系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。

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