在數(shù)據(jù)中心、暖通空調(diào)（HVAC）以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）飛速發(fā)展的當(dāng)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(guān)鍵一環(huán)，電機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著冷卻效率與能耗。為解決這些痛點(diǎn)，ST推出用于高功率冷卻系統(tǒng)的電機(jī)控制解決方案，它是如何在節(jié)能與高效上大顯身手的？讓我們來一探究竟。

高功率冷卻系統(tǒng)的市場“熱”情與能耗“痛點(diǎn)”

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)張，HVAC在各類建筑中的普及，以及BESS在電網(wǎng)穩(wěn)定中的關(guān)鍵作用，都讓高功率冷卻系統(tǒng)市場持續(xù)升溫。數(shù)據(jù)顯示，2022年數(shù)據(jù)中心冷卻業(yè)務(wù)市場規(guī)模為31.4億美元，預(yù)計(jì)到2032年將飆升至311億美元；HVAC業(yè)務(wù)2023年規(guī)模達(dá)2940億美元，2032年有望增至4810億美元；BESS業(yè)務(wù)從2023年的54億美元，預(yù)計(jì)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(dòng)力心臟”，電機(jī)消耗著系統(tǒng)中約40%的能源。特別是AI服務(wù)器，預(yù)計(jì)2030年AI消耗的電力可能占全球的10%以上，其中電機(jī)能耗更是大頭。

以典型數(shù)據(jù)中心為例，下圖是典型的1.2MW數(shù)據(jù)中心參考設(shè)計(jì)。要帶走CPU、GPU等產(chǎn)生的熱量，大概需配備800KW左右的散熱方案，其中散熱風(fēng)扇500kW，冷卻器300kW。整個(gè)數(shù)據(jù)中心實(shí)際耗能在2MW左右，冷卻能耗占到四成。

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的基本架構(gòu)如下圖所示，一般采用直接芯片冷卻方式，將冷板與CPU或GPU直接連接，通過冷卻液帶走熱量，通?？蓭ё邫C(jī)架中設(shè)備生成的70-75%的熱量，需使用混合方法（風(fēng)扇）進(jìn)行冷卻。

高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如何幫助冷卻系統(tǒng)節(jié)能？采用IE4、IE5等級(jí)的高效電機(jī)，相比IE2和IE3電機(jī)可節(jié)約5-15%的能源；運(yùn)用寬禁帶半導(dǎo)體變頻調(diào)速技術(shù)；電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)電流需求調(diào)整電機(jī)速度，能節(jié)約20-60%的能源；驅(qū)動(dòng)裝置還可根據(jù)負(fù)載優(yōu)化電機(jī)磁通量，最多節(jié)約20%；再加上分布式dPFC提升電能質(zhì)量，最后，使用系統(tǒng)分析進(jìn)行冷卻優(yōu)化，節(jié)約約30%。

ST 10kW電機(jī)+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(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的“智慧大腦”，精準(zhǔn)調(diào)控各個(gè)環(huán)節(jié)。

在硬件搭建上，Vienna PFC部分和電機(jī)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(jī)控制部分包括1200V40A的STGWA40M120DF3 IGBT。電機(jī)采樣拓?fù)渲С秩?a target="_blank">電阻和單電阻采樣，靈活適應(yīng)不同場景；隔離驅(qū)動(dòng)采用STGAP2S，高壓軌1700V，抗擾性能達(dá)100V/us，傳播延時(shí)僅75ns，還具備多種保護(hù)功能，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

STM32G431堪稱集成模擬外設(shè)的“多面手”，內(nèi)部集成豐富模擬外設(shè)，運(yùn)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(yùn)放配合實(shí)現(xiàn)硬件過流保護(hù)；DAC在調(diào)試時(shí)監(jiān)控變量，強(qiáng)大的模擬功能為電機(jī)控制和PFC調(diào)節(jié)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(guān)斷特性軟，電壓尖峰低，還有多種二極管選項(xiàng)，廣泛應(yīng)用于PFC、太陽能等領(lǐng)域，能有效提升電能質(zhì)量，降低能耗。

1200V M系列IGBT是電機(jī)控制的“動(dòng)力擔(dān)當(dāng)”：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(dá)75A，開關(guān)頻率2-20kHz，短路時(shí)間10us，適用于電機(jī)控制、變頻器等，為電機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行提供可靠保障。

多維度技術(shù)優(yōu)化：成就節(jié)能、高效、精準(zhǔn)

ST的解決方案通過多維度的技術(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、精準(zhǔn)和高效的理想效果。

任務(wù)時(shí)序優(yōu)化：提升效率

本方案只用一個(gè)MCU同時(shí)控制電機(jī)和Vienna PFC，因此合理規(guī)劃任務(wù)時(shí)序至關(guān)重要。PFC任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于電機(jī)控制FOC任務(wù)，方案通過精準(zhǔn)分配MCU資源，可避免計(jì)算量失衡，提升了處理效率。比如，在ADC2 INT中執(zhí)行5kHz的MC FOC任務(wù)，在TIM6 INT中執(zhí)行20kHz的PFC VOC任務(wù)，有條不紊。

下圖是STM32G431 CPU的負(fù)載測(cè)試結(jié)果。其中壓縮機(jī)開關(guān)頻率為5kHz，F(xiàn)OC控制頻率也為5kHz，任務(wù)持續(xù)時(shí)間為9.5us，占用4.8%的CPU負(fù)載。PFC開關(guān)頻率為40kHz，VOC電壓矢量控制任務(wù)頻率為20kHz，占用CPU負(fù)載約57.1%，加上其他低頻任務(wù)，共計(jì)占用CPU負(fù)載不超過67.7%，這充分說明了STM32G431強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)和高效的處理能力。

本方案使用64引腳的STM32G431RBT6，其中有18個(gè)未使用引腳，用戶可利用這些剩余引腳做一些自定義設(shè)計(jì)。

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(huì)降低系統(tǒng)效率，在數(shù)據(jù)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)電網(wǎng)電壓和電流進(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見證實(shí)力：方案性能經(jīng)得起考驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，該方案表現(xiàn)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(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能應(yīng)用在30%負(fù)載下電流iTHD小于6%的要求；10kW負(fù)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(jī)測(cè)試波形也顯示，該方案能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行，無論是低功率還是高功率場景，都能應(yīng)對(duì)自如，充分證明了方案在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

多種冷卻系統(tǒng)解決方案：滿足個(gè)性化需求

ST為用戶提供多種冷卻系統(tǒng)解決方案，針對(duì)不同功率級(jí)、電機(jī)控制應(yīng)用以及單相單路、單相雙路交錯(cuò)PFC或三相Vienna PFC需求，均有對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。從1kW低成本單電機(jī)控制方案，到10kW商用壓縮機(jī)搭配三相PFC Vienna方案，一應(yīng)俱全，且均已上市，客戶可根據(jù)自身需求靈活選擇。

STM32電機(jī)控制生態(tài)：完善工具助力高效開發(fā)

除了提供解決方案，ST還通過搭建STM32電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)，提供一系列豐富且實(shí)用的工具，為電機(jī)控制領(lǐng)域的開發(fā)者構(gòu)建了一個(gè)全面、高效的開發(fā)環(huán)境。

電機(jī)控制套件：在線工具，方便開發(fā)者訪問意法半導(dǎo)體MCU生態(tài)中的電機(jī)控制資源，適用于STM32、STSPIN32和STM8 MCU。

電機(jī)控制分析儀：可自動(dòng)檢測(cè)Rs、Ls、Ke等關(guān)鍵參數(shù)，無需額外設(shè)備，適用于STM32 MCU。

電機(jī)控制軟件開發(fā)工具包（SDK）：含完整特征的固件庫，ST電機(jī)控制工作站作為圖形化配置/監(jiān)視器，適用于STM32、STSPIN32 MCU。

強(qiáng)大的處理性能、多維度優(yōu)化技巧、全面的解決方案加之完整的生態(tài)系統(tǒng)，ST的電機(jī)控制方案有望幫助用戶破解高功率冷卻系統(tǒng)的“困局”，有效助力數(shù)據(jù)中心、HVAC、BESS等領(lǐng)域的綠色、高效發(fā)展。