在数据中心、暖通空调（HVAC）以及电池储能系统（BESS）飞速发展的当下，高功率冷却系统的重要性愈发凸显。作为这些系统的关键一环，电机控制技术的优劣直接影响着冷却效率与能耗。为解决这些痛点，ST推出用于高功率冷却系统的电机控制解决方案，它是如何在节能与高效上大显身手的？让我们来一探究竟。
高功率冷却系统的市场“热”情与能耗“痛点”


当前，数据中心的规模呈指数级扩张，HVAC在各类建筑中的普及，以及BESS在电网稳定中的关键作用，都让高功率冷却系统市场持续升温。数据显示，2022年数据中心冷却业务市场规模为31.4亿美元，预计到2032年将飙升至311亿美元；HVAC业务2023年规模达2940亿美元，2032年有望增至4810亿美元；BESS业务从2023年的54亿美元，预计到2030年增长至269亿美元，市场潜力巨大。

然而，高功率冷却系统的能耗问题却不容小觑。作为冷却系统的“动力心脏”，电机消耗着系统中约40%的能源。特别是AI服务器，预计2030年AI消耗的电力可能占全球的10%以上，其中电机能耗更是大头。

以典型数据中心为例，下图是典型的1.2MW数据中心参考设计。要带走CPU、GPU等产生的热量，大概需配备800KW左右的散热方案，其中散热风扇500kW，冷却器300kW。整个数据中心实际耗能在2MW左右，冷却能耗占到四成。

数据中心冷却系统的基本架构如下图所示，一般采用直接芯片冷却方式，将冷板与CPU或GPU直接连接，通过冷却液带走热量，通常可带走机架中设备生成的70-75%的热量，需使用混合方法（风扇）进行冷却。

高效的电机驱动器如何帮助冷却系统节能？采用IE4、IE5等级的高效电机，相比IE2和IE3电机可节约5-15%的能源；运用宽禁带半导体变频调速技术；电机变速驱动装置根据电流需求调整电机速度，能节约20-60%的能源；驱动装置还可根据负载优化电机磁通量，最多节约20%；再加上分布式dPFC提升电能质量，最后，使用系统分析进行冷却优化，节约约30%。


ST 10kW电机+三相Vienna PFC方案：冷却系统的“节能利器”
ST推出的10kW永磁同步电机驱动方案，搭配三相Vienna PFC，堪称冷却系统的“节能利器”。在此方案中，MCU选用170MHz主频的STM32G431，犹如整个系统的“智慧大脑”，精准调控各个环节。
在硬件搭建上，Vienna PFC部分和电机控制部分采用分立器件。Vienna部分包括1200V/30A的STTH30S12W二极管、650V/40A的STGWA40H65DFB2 IGBT，电机控制部分包括1200V40A的STGWA40M120DF3 IGBT。电机采样拓扑支持三电阻和单电阻采样，灵活适应不同场景；隔离驱动采用STGAP2S，高压轨1700V，抗扰性能达100V/us，传播延时仅75ns，还具备多种保护功能，为系统安全稳定运行保驾护航。

STM32G431堪称集成模拟外设的“多面手”，内部集成丰富模拟外设，运算放大器精度为12位，过采样可提升至16位，用于电流采样；比较器与运放配合实现硬件过流保护；DAC在调试时监控变量，强大的模拟功能为电机控制和PFC调节提供精准数据支持。


650V HB2系列IGBT是PFC的“节能先锋”，该系列IGBT的VCESAT较低，在1.55V-1.65V之间，裸晶片中电流能力15A-100A，Qg比HB系列更低，关断特性软，电压尖峰低，还有多种二极管选项，广泛应用于PFC、太阳能等领域，能有效提升电能质量，降低能耗。


1200V M系列IGBT是电机控制的“动力担当”：1200V M系列IGBT的VCESAT在1.7V-1.85V，电流能力覆盖8A-50A，裸晶片中最高达75A，开关频率2-20kHz，短路时间10us，适用于电机控制、变频器等，为电机稳定高效运行提供可靠保障。


多维度技术优化：成就节能、高效、精准
ST的解决方案通过多维度的技术优化，实现了节能、精准和高效的理想效果。

任务时序优化：提升效率


本方案只用一个MCU同时控制电机和Vienna PFC，因此合理规划任务时序至关重要。PFC任务优先级高于电机控制FOC任务，方案通过精准分配MCU资源，可避免计算量失衡，提升了处理效率。比如，在ADC2 INT中执行5kHz的MC FOC任务，在TIM6 INT中执行20kHz的PFC VOC任务，有条不紊。

下图是STM32G431 CPU的负载测试结果。其中压缩机开关频率为5kHz，FOC控制频率也为5kHz，任务持续时间为9.5us，占用4.8%的CPU负载。PFC开关频率为40kHz，VOC电压矢量控制任务频率为20kHz，占用CPU负载约57.1%，加上其他低频任务，共计占用CPU负载不超过67.7%，这充分说明了STM32G431强大的性能优势和高效的处理能力。

本方案使用64引脚的STM32G431RBT6，其中有18个未使用引脚，用户可利用这些剩余引脚做一些自定义设计。


高精度采样与谐波控制：保障性能


电流谐波不提供有功能量交换，会降低系统效率，在数据中心或通信基站等场景还可能影响到通信，因此降低谐波能大幅提升系统性能。本方案通过过采样将PFC的电压电流采样精度提高到15位，过采样率为8，用TIM2触发采样，在一个开关周期内对电网电压和电流进行8次采样。此外，还额外加入谐波滤波器，有效控制5次、7次、11次、13次等谐波。

实测数据见证实力：方案性能经得起考验
从实验数据来看，该方案表现十分出色。在不同功率工况下，Vienna PFC的iTHD控制良好，1kW工况下iTHD在11.25%左右，3kW工况下约为4.156%，满足数据中心、储能应用在30%负载下电流iTHD小于6%的要求；10kW负载下的输入电流iTHD在1.7%左右，谐波含量低，系统稳定性高。

压缩机测试波形也显示，该方案能稳定驱动压缩机运行，无论是低功率还是高功率场景，都能应对自如，充分证明了方案在实际应用中的可靠性。

多种冷却系统解决方案：满足个性化需求
ST为用户提供多种冷却系统解决方案，针对不同功率级、电机控制应用以及单相单路、单相双路交错PFC或三相Vienna PFC需求，均有对应产品。从1kW低成本单电机控制方案，到10kW商用压缩机搭配三相PFC Vienna方案，一应俱全，且均已上市，客户可根据自身需求灵活选择。

STM32电机控制生态：完善工具助力高效开发
除了提供解决方案，ST还通过搭建STM32电机控制生态系统，提供一系列丰富且实用的工具，为电机控制领域的开发者构建了一个全面、高效的开发环境。
电机控制套件：在线工具，方便开发者访问意法半导体MCU生态中的电机控制资源，适用于STM32、STSPIN32和STM8 MCU。

电机控制分析仪：可自动检测Rs、Ls、Ke等关键参数，无需额外设备，适用于STM32 MCU。
电机控制软件开发工具包（SDK）：含完整特征的固件库，ST电机控制工作站作为图形化配置/监视器，适用于STM32、STSPIN32 MCU。
强大的处理性能、多维度优化技巧、全面的解决方案加之完整的生态系统，ST的电机控制方案有望帮助用户破解高功率冷却系统的“困局”，有效助力数据中心、HVAC、BESS等领域的绿色、高效发展。


互动活动
答题留言：
1. 作为冷却系统的“动力心脏”，电机消耗的能源占系统总能源的百分比大概是？
2. ST的电机控制解决方案完成控制电机、Vienna PFC以及其他低频任务，共计占用CPU负载不超过多少百分比？
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