低成本、低噪音、高性能已成為變頻空調的發展趨勢。而作為變頻空調核心部件的室外機控制器是提升整機性能的關鍵。英飛凌在空調外機雙變頻馬達加高頻PFC控制方案上有多年的累積和量產經驗。最新推出的高性能PSOC™ Control系列MCU，以其180MHz M33主頻、高性能可程式類比子系統等特性非常適合做各種電機控制。英飛凌也基於PSOC™ Control C3控制器的單晶片控制方案實現了室外壓縮機和風扇的雙變頻控制，以及功率因素校正（PFC）的控制。為客戶快速開發產品提供了量產級的參考方案。
12
Jun . 2025
技術洞察 | 基於英飛凌PSOC™ Control C3控制器的空調外機高頻PFC+雙電機變頻控制解決方案
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PSOC™ Control C3產品介紹
1. 了解PSOC™ Control C3
英飛凌推出基於Arm® Cortex®-M33的最新高效能微控制器（MCU）系列PSOC™ Control。在ModusToolbox™系統設計工具和軟體平台的支援下，全面的解決方案使開發人員能夠輕鬆創建高性能、高效率且安全的馬達控制和功率轉換系統。 PSOC™ Control C3分為入門級和主流級產品，提供了從功能、封裝、引腳、記憶體和效能各方面可擴展且相容的產品組合。
2. 為什麼選用PSOC™ Control C3
- 支援低延遲即時控制。搭載Arm® Cortex®-M33，最高頻率180 MHz，整合DSP、FPU和CORDIC加速器。入門級MCU（C3P2和C3M3）採用高精度A/D轉換器和定時器，主流MCU（C3P5和C3M5）支援高解析度PWM，適用於高效能係統和寬禁帶開關功率系統。
- 強大的安全功能。具備Class B、SIL 2安全庫及PSA Certified™ 2級認證，整合加密加速器、TrustZone和安全密鑰存儲，確保IP和韌體更新的安全性。
- ModusToolbox™軟體平台。該平台為電機控制開發提供了全面的軟體支援：包括從底層的驅動程式到高級的控制演算法庫。從多功能圖形介面到專用工具、高級馬達控制庫等一應俱全，幫助工程師快速配置和調試馬達控制系統。
3. PSOC™ Control C3的目標應用
電機控制專用MCU（C3M）和功率轉換專用MCU（C3P）可滿足重點應用的需求，例如：家用電器、工業驅動器、機器人、輕型電動車（LEV）、太陽能和HVAC系統等。
PSOC™ Control C3控制器高效能可程式模擬子系統和靈活的TCPWM模組輔助空調外機方案
1. 高性能可程式模擬子系統
- 12位元12Msps SAR ADC，支援16路類比通道並行空閒取樣
- 每通道配備獨立採樣保持器
- 各通道可獨立配置增益
- 全通道支援同步取樣模式
- 16路類比通道可配置為8個獨立組，每組支援8路觸發源
- 支援偽差分採樣模式
- 每通道整合限幅檢測功能（助力過流/過壓保護，減少CPU幹預）
- 支援ADC DMA及FIFO模式（減少CPU幹預）
- ADC類比輸出可直接接入CSG比較器實現保護
- 10位DAC為比較器的輸入提供參考電壓
- 提供多路觸發來源輸出（用於關鍵週邊同步觸發）
2. 靈活的TCPWM
面向不同PWM應用的靈活計數模式以及靈活的輸入輸出觸發訊號。
範例：TCPWM用於單電阻採樣：
3個TCPWM計數器用於產生3對互補PWM訊號，1個TCPWM計數器作為ADC觸發訊號。馬達運轉時，所有4個TCPWM計數器同步運轉。
FOC中斷在溢位事件觸發，並在前半PWM週期內執行。
TCPWM計數器的比較暫存器CC0和CC1的buff在溢位和下溢事件時更新緩衝。
所有GPIO均可配置為PWM輸出接腳，大幅簡化PCB佈局設計。
從AD取樣到下一次PWM比較更新的間隔時間僅約半個PWM週期，顯著提升電流環頻寬與觀測器效能。
基於PSOC™ Control C3控制器的空調外機高頻PFC+雙電機變頻控制解決方案介紹
1. 方案簡介
系統框圖
控制板如下圖所示，支援無感雙電機控制以及高頻PFC解決方案。
方案上使用到的主要裝置包括：
- MCU: PSC3M5FDS2ACQ1
- 二極體: IDW30E65D1/ IDW10G65C5
- IGBT: IKW30N65WR5/ IKWH30N67PR7
- 閘極驅動器：1ED44175N01B
- IPM: IM241-M6T2B
- IPM: IKCM15L60GD
- 輔助電源: ICE5AR4770BZS
2. 壓縮機驅動特性
- 6kHz載波頻率，單電阻電流取樣
- 無感FOC演算法，執行時間< 11us（含ADC時間、轉矩補償及SVPWM過調變）
- 5段式/7段式SVPWM
- 弱磁演算法
- 支援快速啟動及超低速閉環運行
- 高性能轉矩補償
- 超低延遲無感PLL觀測器
- 死區時間補償
- 實現全面的保護功能
- 解決方案已通過量產驗證
3. 風機驅動特性
- 載波頻率15kHz至20kHz，無感FOC演算法，執行時間<10μs
- 支援多層逆風啟動演算法
- 支持逆風、順風及靜態直接閉環啟動
- 單電阻電流取樣
- 支援快速觀測器煞車模式
- 支援轉矩、功率、速度三種運轉模式控制
- 解決方案已通過量產驗證
4. 高頻PFC
- 單相升壓PFC，雙閉環控制，CCM模式
- PFC演算法執行時間<3.2μs（含電流採樣、電壓環及電流環運算）
- 80kHz PWM載波頻率。 PFC演算法與PWM頻率同步。 PF cosΦ>99.8%，交流電壓範圍150V~265V
- 支援空載到滿載的PFC啟動停止控制
- 整合交流頻率檢測功能
- 輸出電壓根據負載需求動態調整以優化PFC效率
- 負載突變及輸入電壓波動下維持高穩定性
- 完善的功率/電流/電壓保護機制
- 解決方案已通過量產驗證
80kHz PFC電感器的電流波形遠勝於相同電感器在40kHz時的表現（電流漣波較小）。更高的PFC開關頻率使得能夠減小電感器的值/尺寸（在該功率等級下，磁芯和銅線圈的體積可減少約50%），並顯著降低系統BOM成本。
有利於PSOC™ Control C3強大的處理性能，整個方案在實現 80KHz PFC控制 + 15kHz風扇馬達控制 + 6kHz壓縮機控制的情況下，總CPU load率低於 50%。給客戶後續升級優化預留了足夠的效能空間。
英飛凌基於PSOC™ Control C3控制器的單晶片控制方案實現了室外壓縮機和風扇的雙變頻控制，以及功率因素校正（PFC）的控制。對方案有興趣的朋友可以聯絡我們以取得完整方案的硬體和軟體資料。
文章來源：英飛凌官微