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[导读]在系统成本不增加的前提下,让家电变得更加静音和高效,是设计工程师们关注的重点。而GaN器件凭借着更高的开关频率和更好的能效表现,开始逐渐进入家电设计者的视野。

随着低碳节能发展,家电的能效要求也越来越高。在系统成本不增加的前提下,让家电变得更加静音和高效,是设计工程师们关注的重点。尤其是对于工作电压较高的大型家电,如洗衣机、冰箱、空调以及HVAC等,需要考虑到更多的转换、隔离和实时控制问题,因此对于能效的提高的难度更大。而GaN器件凭借着更高的开关频率和更好的能效表现,开始逐渐进入家电设计者的视野。

近日,TI推出了业界首个GaN智能功率模块(IPM)——DRV7308。德州仪器销售与市场应用经理Charlie Munoz和德州仪器系统工程师Hely Zhang在新品发布会上和记者介绍这一新品的主要特点。


GaN能效提高,带来多项系统优化优势

DRV7308 是一款先进的三相无刷直流电机驱动模块(GaN IPM),内部集成了六只650V高压GaN FETs。该模块利用第三代氮化镓技术,实现了99%以上的驱动器效率,显著提高了电机驱动系统的效率并减少了发热,从而无需外部散热设计,这也进一步提供了系统功率密度。相较于传统的 IGBT和MOSFET 解决方案,DRV7308 的功率损耗降低了50%,死区时间和传播延迟也在行业中达到了较低水平。与基于 IGBT MOSFET 的方案相比,使用DRV7308 的电机驱动逆变器可以使印刷电路板尺寸缩减高达55%。此外,该模块支持更高的脉宽调整开关频率,有效减少了听觉噪音和系统振动。

据Charlie Munoz介绍,传统的IGBT和MOSFET IPM需要外部散热器来散热,而且散热器的体积比较大,需要占用较多的板面和空间,而 TI 的GaN IPM,采用业内较小的封装尺寸 12*12 毫米,并且拥有更高的效率,因此可以实现在无散热器的情况下 输出250W 功率。与基于 IGBT MOSFET 的解决方案相比,紧凑的尺寸,以及带有电流检测放大器和保护功能的先进的氮化镓智能功率模块,使得电路板的尺寸缩减高达 55%。

而散热的减少,也进一步提高了系统可靠性。“电机和驱动器的使用寿命取决于它的工作温度,而 DRV7308 的高效率和高集成度,可以减少电机和驱动器的发热,进而提高系统的整体可靠性,并延长使用寿命。”Charlie Munoz进一步解释到,“而每个氮化镓 FET 的短路保护功能及电机驱动器的二级电流保护功能,也可以提高系统的可靠性。”

GaN IPM:助力家电迈向超静音和能效新高度

DRV7308的主打应用在家电方向,适用于最大绝对电压不超过650V、20W~350W的功率等级的各种电机驱动设备中,包括吊扇、空调、洗衣机和冰箱,乃至工业用的HVAC等。凭借着GaN的出色器件特性,能够帮助家电中的电机减少能效损失,达到更高的能效等级要求,同时实现了超静音的体验。

对比IGBT IPM和GaN IPM的两套方案在同样的250W的系统中,在各种不同的负载下,使用GaN IPM的电机逆变器效率提高了1.9%-2.6%。值得一提的是,IGBT 电路板还需要额外的散热器来辅助散热,才能实现其所能达到的最高工作效率 97.2%,而相比之下TI的GaN IPM,可以实现更高的效率,并且不需要额外的散热器。

Hely表示,相对于2个功率管的半桥集成驱动方案,集成了六只GaN FETs的方案体积会更小。因为DRV7308可以达到 99%的效率,所以损耗只有1%。对于 250W 的输出功率来说,1%就只有2.5w,这2.5W的热量可以比较容易的通过模块本身和以及电路板的铺铜设计来耗散掉,这样就不需要散热器了。在该展示中的250W功率等级只是基于当前的DRV7308参考设计所测试的功率,如果客制的设计中可以提供更大的散热面积,那么整个系统的输出功率就可以达到更高。同时,TI未来更高输出功率的氮化镓器件。

Charlie Munoz强调,实现更高的电机驱动效率对于家电满足更高的标准至关重要:客户可以通过选择TI GaN IPM,来将原先仅满足旧标准的设备更新到符合更高的能效要求;或者在同样的能效表现上,选择更低成本的电机配合GaN IPM从而实现系统成本降低。

例如对于暖风空调系统,要满足最新的SEER评级为14,那么系统的效率达到 85%,而以前的标准要求系统的效率仅为 80%,那么现在就可以通过 DRV7308 的 99%高效率来实现系统 85%整体效率的要求,且不需要增加电机的成本。

除了能效之外,另一个关键的系统提升在于超静音的体验。传统的IGBT/MOSFET IPM存在着电流失真、谐波、电流/扭矩波动的问题,因此容易产生一些噪音。

电流失真会导致电机内部的磁场不均匀,这种不均匀性会导致电机内部零件的振动。这种振动通过空气或结构传递,最终表现为噪音。谐波会导致额外的磁场振荡,这些振荡可引起机械振动,进而产生噪音。此外谐波还可能导致电源线和电机线圈中的共振,增加噪音。电流和扭矩的波动导致电机运行不稳定,可能表现为速度的忽快忽慢。这种不稳定性使得电机和其驱动的机械系统产生额外的机械振动和声音。此外扭矩的忽增忽减会引起连接件和负载之间的撞击声,进一步增加噪音水平。

总之,IGBT IPM中的电流失真、谐波和电流/扭矩波动都能通过引起机械振动和声波振动来产生噪音。减少这些电气现象的发生不仅能降低噪音,还能提高整个系统的效率和可靠性。使用如氮化镓(GaN)技术的高效智能功率模块(IPM)可以在设计上减少这些不利影响,从而提高设备的整体性能和耐用性。

TI的GaN IPM在这方面具备诸多优势:一是通过降低谐波和简化控制算法,实现了电机系统更低的空转时间;二是在低速运行时简化电流感测,减少输出电压和电流的失真,实现了更低的传播延迟;三是让三相调制在更高的切换频率下进行,从而减少了电流波动。这三大特点在一起,帮助家电实现了更好的声学效果,从而为用户带来了超静音的体验。

结语

据悉,DRV7308 现已开始小批量生产,目前可以提供参考设计TIDA-010273给到客户预先开始设计。“高功率和高能效是德州仪器的一个重要投资领域,随着世界向更严格的能效标准迈进,我们看到了应用氮化镓技术的机会,因为它可以应对高效节能电机驱动的要求。”Charlie说到,“250W 实际上只是 TI 的起点,我们正在投资氮化镓 IPM 以支持更多的其他应用,我们会专注于效率提升的机会,向上和向下拓展到更高和更低功率级别的市场。”

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