基于英飞凌PSOC™ Control C3控制器的空调外机高频PFC+双电机变频控制解决方案

低成本、低噪声、高性能已成为变频空调的发展趋势。而作为变频空调核心部件的室外机控制器是提升整机性能的关键。英飞凌在空调外机双变频电机加高频PFC控制方案上有多年的积累和量产经验。最新推出的高性能PSOC Control系列MCU，以其180MHz M33主频、高性能可编程模拟子系统等特性非常适合做各种电机控制。英飞凌也基于PSOC Control C3控制器的单芯片控制方案实现了室外压缩机和风机的双变频控制，以及功率因素校正（PFC）的控制。为客户快速开发产品提供了量产级的参考方案。

PSOC Control C3产品介绍

1. 了解PSOC Control C3

英飞凌推出基于Arm Cortex-M33的最新高性能微控制器（MCU）系列PSOC Control。在ModusToolbox系统设计工具和软件平台的支持下，综合全面的解决方案使开发人员能够轻松创建高性能、高效率且安全的电机控制和功率转换系统。PSOC Control C3分为入门级和主流级产品，提供了从功能、封装、引脚、内存和性能各方面可扩展并兼容的产品组合。

2. 为什么选用PSOC Control C3

支持低延迟实时控制。搭载Arm Cortex-M33，最高频率180 MHz，集成DSP、FPU和CORDIC加速器。入门级MCU（C3P2和C3M3）采用高精度A/D转换器和定时器，主流级MCU（C3P5和C3M5）支持高分辨率PWM，适用于高性能系统和宽禁带开关功率系统。

强大的安全功能。具备Class B、SIL 2安全库及PSA Certified 2级认证，集成加密加速器、TrustZone和安全密钥存储，确保IP和固件更新的安全性。

ModusToolbox软件平台。该平台为电机控制开发提供了全面的软件支持：包括从底层的驱动程序到高级的控制算法库。从多功能图形界面到专用工具、高级电机控制库等一应俱全，帮助工程师快速配置和调试电机控制系统。

3.PSOC Control C3的目标应用

电机控制专用MCU（C3M）和功率转换专用MCU（C3P）可满足重点应用的需求，例如：家用电器、工业驱动器、机器人、轻型电动车（LEV）、太阳能和HVAC系统等。

PSOC Control C3控制器高性能可编程模拟

子系统和灵活的TCPWM模块助力空调外机方案

1. 高性能可编程模拟子系统

12位12Msps SAR ADC，支持16路模拟通道并行空闲采样

每通道配备独立采样保持器

各通道可独立配置增益

全通道支持同步采样模式

16路模拟通道可配置为8个独立组，每组支持8路触发源

支持伪差分采样模式

每通道集成限幅检测功能（助力过流/过压保护，减少CPU干预）

支持ADC DMA及FIFO模式（减少CPU干预）

ADC模拟输出可直接接入CSG比较器实现保护

10位DAC为比较器的输入提供参考电压

提供多路触发源输出（用于关键外设同步触发）

2. 灵活的TCPWM

面向不同PWM应用的灵活计数模式以及灵活的输入输出触发信号

示例：TCPWM用于单电阻采样：

3个TCPWM计数器用于生成3对互补PWM信号，1个TCPWM计数器作为ADC触发信号。电机运行时，所有4个TCPWM计数器同步运行。

FOC中断在溢出事件触发，并在前半PWM周期内执行。

TCPWM计数器的比较寄存器CC0和CC1的buff在溢出和下溢事件时更新缓冲。

所有GPIO均可配置为PWM输出引脚，极大简化PCB布局设计。

从AD采样到下一次PWM比较更新的间隔时间仅约半个PWM周期，显著提升电流环带宽和观测器性能。

基于PSOC Control C3控制器的空调外机

高频PFC+双电机变频控制解决方案介绍

1. 方案简介

系统框图

控制板如下图所示，支持无感双电机控制以及高频PFC解决方案。

1. 方案上使用到的主要器件包括：

MCU: PSC3M5FDS2ACQ1

二极管: IDW30E65D1/ IDW10G65C5

IGBT: IKW30N65WR5/ IKWH30N67PR7

栅极驱动器：1ED44175N01B

IPM: IM241-M6T2B

IPM: IKCM15L60GD

辅助电源: ICE5AR4770BZS

2. 压缩机驱动特性

6kHz载波频率，单电阻电流采样

无感FOC算法，执行时间< 11us（含ADC时间、转矩补偿及SVPWM过调制）

5段式/7段式SVPWM

弱磁算法

支持快速启动及超低速闭环运行

高性能转矩补偿

超低延迟无感PLL观测器

死区时间补偿

实现全面的保护功能

解决方案已通过量产验证

3. 风机驱动特性

载波频率15kHz至20kHz，无感FOC算法，执行时间<10μs

支持多级逆风启动算法

支持逆风、顺风及静态直接闭环启动

单电阻电流采样

支持快速观测器制动模式

支持转矩、功率、速度三种运行模式控制

解决方案已通过量产验证

4. 高频PFC

单相升压PFC，双闭环控制，CCM模式

PFC算法执行时间<3.2μs（含电流采样、电压环及电流环运算）

80kHz PWM载波频率。PFC算法与PWM频率同步。PF cosΦ>99.8%，交流电压范围150V~265V

支持空载到满载的PFC启停控制

集成交流频率检测功能

输出电压根据负载需求动态调整以优化PFC效率

负载突变及输入电压波动下保持高稳定性

完善的功率/电流/电压保护机制

解决方案已通过量产验证

80kHz PFC电感器的电流波形远优于相同电感器在40kHz时的表现（电流纹波更小）。更高的PFC开关频率使得能够减小电感器的值/尺寸（在该功率等级下，磁芯和铜线圈的体积可减少约50%），并显著降低系统BOM成本。

得利于PSOC Control C3强大的处理性能，整个方案在实现 80KHz PFC控制 + 15kHz风扇电机控制 + 6kHz压缩机控制的情况下，总CPU load率低于 50%。给客户后续升级优化预留了足够的性能空间。

英飞凌基于PSOC Control C3控制器的单芯片控制方案实现了室外压缩机和风机的双变频控制，以及功率因素校正（PFC）的控制。对方案感兴趣的朋友可以联系我们获取完整方案的硬件和软件资料。

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