本文分享意法半导体（ST）对大功率热管理系统市场的见解，该市场预计在未来几年将快速演变并持续增长。我们将深入探讨意法半导体的创新产品和完整解决方案，分析其技术规格、特性及优势。
市场动态：
驱动先进冷却需求的核心力量
四大宏观趋势正在重塑我们的世界：全球变暖、电气化、可再生能源的兴起以及人工智能数据中心。但这与电机控制有何关联？
这四大趋势的共同关键在于，开发和部署大功率热管理系统具有至关重要的意义。商用空调提供空间制冷，而热泵则助力空间供暖的去碳化——目前超过60%的供暖仍依赖煤炭、天然气和石油。电池储能系统需要热管理来将电池维持在最佳工作温度并确保其使用寿命。在数据中心，AI芯片产生的热量与其消耗的能量相当，这使得液体冷却解决方案对运营至关重要，并通过消除热瓶颈来充分发挥计算潜力。
HVAC（暖通空调）、热泵、BESS（电池储能系统）和数据中心冷却市场正经历显著增长，各自独特的需求突显了高效系统在平衡能效、功率密度和可靠性方面的极端重要性。
电机控制系统：
ST解决方案的核心
这些冷却系统的核心包含三种类型的电机：压缩机、风扇和水泵。
对这些电机驱动器的要求极具挑战性，包括：
1. 能效至关重要，这些应用全天候持续运行，消耗大量能源。
2. 可靠性不可或缺：必须持续维持热控制，以避免灾难性故障或维护停机。此外，它们必须实现最佳性能，以处理快速变化的负载，并将温度和湿度维持在严格的规格范围内。
3. 集成是第三个关键因素，它与可靠性直接相关。集成减少了元件数量、制造差异和设计复杂性。此外，由于制造商旨在提高功率或计算密度，分配给热管理的空间通常被尽可能最小化。
因此，这些应用是意法半导体的战略重点，因为它们与我们通过能效和去碳化实现可持续发展的技术优势和承诺紧密相连。
现在让我们以AI服务器为例，分析能效要求。
能效：
这些数据来自一项针对三种不同规模设施，从企业级（低于1MW）到超大规模（高达150MW））的能源使用研究。该研究报告了按基础设施环节划分的效率，高功率站点的总能效（图1中黄色高亮部分）显著更高。这四个环节中，哪个对节能贡献最大？是冷却环节（蓝色部分），其效率可以从53%提升到87%。
电机控制如何帮助实现这些目标？首先，采用变速驱动器以适应全天波动的计算负载。其次，通过在每个驱动器中集成转换器和逆变器的分散式数字功率因数校正（dPFC），从源头减少无功功率和电流谐波，从而最大限度地减少配电线路中的功率损耗，并降低无源滤波器或发电机的安装成本。第三，通过使用碳化硅（SiC）、超结MOSFET和氮化镓（GaN）器件提高功率转换效率。意法半导体电机控制能力中心（MCCC）估算，对于一个5MW的数据中心，使用宽禁带（WBG）器件每年可节省高达10万美元。
可靠性
现在，让我们讨论可靠性的重要性，特别是对数据中心而言。简而言之，目标是“零故障”。任何故障都会导致灾难性成本，维护停机也是如此。针对这些关键挑战，意法半导体的战略提供了一种解决方案：强健的功率电子器件（如碳化硅MOSFET）、传感器、电机控制与AI算法，以及高度集成的产品。
以下是一些示例：变速驱动器可减少管道应力和漏水；分布式dPFC可改善电磁兼容性（EMC），并降低峰值电流和配电线路应力；智能传感器和边缘AI支持状态监测和预测性维护，以预测偏离标准寿命的情况；集成减少了元件数量、制造偏差和设计复杂性——所有这些都转化为更高的可靠性。
意法半导体提供两种主要的电机驱动解决方案以满足不同的功率需求：一款10kW带维也纳PFC的PMSM电机驱动器，和一款带单相交错数字PFC的7kW PMSM驱动器，两者均由单个MCU控制，以实现更高的集成度和效率。
10kW带维也纳PFC的PMSM驱动器
意法半导体电机控制能力中心推出了一款用于热管理系统中10至15kW PMSM压缩机的解决方案，其特点是采用三相数字PFC，以实现高电能质量和系统成本优化。
这款一体化解决方案将整流器和逆变器集成在同一块电路板上，由单个STM32G4 MCU驱动，同时运行无传感器FOC和维也纳PFC的VOC。
通过意法半导体高效的1200V IGBT和二极管实现功率密度和可靠性，并可使用1200V碳化硅器件进行性能升级，同时搭配为SiC优化且具有去饱和功能和强化隔离的STGAP栅极驱动芯片。
优异的测试结果：在最大电机功率下电流THD低于2%，在任何高于30%的功率下THD低于6%。CPU负载约为67%，为Nano Edge AI分析系统行为以运行预测性维护算法留出了空间。
实施这款带维也纳PFC的电机驱动解决方案所需的CPU负载如下：
1. 对于压缩机控制部分，PWM频率和FOC（磁场定向控制）频率均为5kHz。FOC计算时间约为9.5us，占用约4.5%的CPU负载。
2. 对于维也纳PFC部分，开关频率为40kHz，PFC VOC（电压定向控制）频率为20kHz。计算时间约为28.6us，占用约57%的CPU负载。
3. 包括其他中频任务，总CPU负载不超过68%。
事实上，STM32G4在此应用中表现出色：其Cortex-M4内核运行频率为170MHz，并通过三个加速器得到增强——用于闪存动态缓存的ART（自适应实时加速器）、具有零等待状态执行的核心耦合存储器（CCM）SRAM，以及Cordic和FMAC（滤波数学加速器）单元。例如，启用CCM-SRAM可进一步优化CPU负载至少10%。
意法半导体的7kW商用空调参考解决方案，由单相交流线路供电，采用世界级领先的架构，将所有室外机功能集成在一块电路板上。它使用无传感器FOC运行一个压缩机和两个风扇，控制一个两通道交错PFC，并通过单个STM32G474 MCU实现所有功能，从而降低了系统成本。储能系统的热管理可能需要同时运行一个压缩机、一个风扇和一个用于冷却液循环的泵。
压缩机驱动器由ST SLLIMM IPM高功率（50A）模块供电，数字PFC可配备超结MOSFET和SiC二极管以满足能效目标。一项新的专利申请中的算法仅使用一个采样电阻即可平衡两个交错相位之间的电流。此外，通过将开关频率提高到60kHz，可以减小PFC电感尺寸以节省成本。
意法半导体的全面产品组合
意法半导体提供全面的产品组合，旨在满足多样化的项目需求，包括不同的功率等级、应用、市场需求和成本考量。
功率器件产品细分如下：
1. 低功率、高性价比解决方案：对于需要较低功率和成本效益的项目，推荐采用具有多种封装选项的分立IGBT，例如H系列和M系列@650V。应用实例包括风扇电机、冰箱及类似电器。
2. 中功率、高密度解决方案：对于需要中等功率、更高集成度和更简单设计的应用，SLLIMM IPM（智能功率模块）是理想选择。ST SLLIMM系列包括三个子系列——SLLIMM Nano、SLLIMM第二系列和SLLIMM HP——覆盖从10W到7kW的电机控制应用。应用实例包括空调、洗衣机及类似设备。
3. 高功率、高端应用：对于高功率、性能关键型应用，ACEPACK SMIT和STPAK是首选解决方案，提供卓越的热性能和可靠性。应用实例包括电动汽车电机、机器人驱动器及其他先进系统。
系统级解决方案与生态系统
意法半导体提供全面的系统级解决方案，适用于各种冷却应用，从小型住宅房间空调到大型商用空调、热泵、HVAC、BESS热管理以及AI数据中心的液体冷却。
我们的解决方案覆盖高达10-15kW的功率范围，并支持各种拓扑结构，其复杂性和集成度不断提高：
■ 单或双电机FOC带单相dPFC
■ 双电机带交错dPFC
■ 三电机带交错dPFC
■ 单电机带三相维也纳dPFC
所有解决方案均使用单个MCU（主要是STM32G4）进行集中控制，凭借意法半导体强大的生态系统，在成本竞争力、可扩展性和快速上市方面提供显著优势。
意法半导体的电机控制生态系统为开发人员提供产品开发全周期的支持。ST-MC-SUITE软件工具提供用于电机控制设计的全面功能，包括配置、调试和监控。Motor Control SDK提供丰富的预编写代码和算法库，加速开发进程。STM32 Motor Control Wiki提供有价值的技术文档和资源，而开发套件则支持快速原型设计和测试。
该生态系统还包括广泛的功率元件，如IGBT、MOSFET、二极管和栅极驱动器，确保兼容性和最佳性能。意法半导体提供完整生态系统的承诺，简化了客户高性能冷却解决方案的设计和部署。
选择意法半导体，您可以依赖我们提供的一站式大功率热管理产品商店，这些产品兼具效率、集成度和可靠性，同时提供现成的交钥匙解决方案（软件+硬件），以加速系统性能评估和生产设计。
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