TI(德州仪器)：通过基于GaN的电机系统设计提高家电能效并节省成本

当今的大型家用电器市场与能源效率和“能源之星”认证等相关品牌推广息息相关。消费者期望这类终端设备(如冰箱或暖通空调(HVAC) 系统)具备出色的能效和产品可靠性。在本文中，我们将探讨氮化镓(GaN)和无刷直流(BLDC)电机系统的结合如何帮助提高消费者的生活水平。

图1所示为注重能效的典型家用电器。

图1：线路供电的家用电器和HVAC电机驱动器应用

冰箱和HVAC是对家庭用电量影响较大的典型家用电器，因此我们以冰箱压缩机和 HVAC 加热炉鼓风机为例，这些类型的终端设备使用电机系统来控制空气和液体的流量，从而达到加热和制冷的目的。在设计这些系统时，对电机将电能转换为机械运动的方式进行优化至关重要。电机系统设计人员通常会修改电机总成的物理设计，对属性进行调整以实现特定的额定电压和速度。系统的电气设计还需要采用正确的印刷电路板 (PCB) 布局，以及能够为电机换向和电力输送提供正确信号的电子元件。

表1列出了电器电机系统的一些要求，以及它们的重要性。

表1：电机系统要求、影响和常见挑战

拥有适合当前任务的元件可以简化开发过程。例如，德州仪器已将其三层金属E模式GaN技术整合到一款新的电机驱动器产品中来满足专门的要求。DRV7308能够支持650V电压，几乎具备运行三相BLDC电机所需的所有功能，采用足够小的封装，因此可以将系统设计成特别小的尺寸。如果在功率低于250W的情况下运行，甚至可能不需要散热器。

DRV7308适合250W家用电器应用，例如 HVAC 压缩机。图 2 是该系统的方框图，其中包含我们的GaN智能电源模块 (IPM)。这些由线路供电的系统通常包括交流/直流级、EMI 滤波器、电机逆变器级和电机。

图2：BLDC电机驱动器系统方框图

图2所示的这类高压系统包含主要成本元件，其中包括 PCB、散热器及其组合件、无源器件和电机。德州仪器的 GaN IPM 技术在所有这些主要元件中都具有成本优势，并最终有助于在系统的整个生命周期内节省能源成本。

目前，在设计250W HVAC压缩机电机逆变器级时有两种选择：使用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) IPM，或者选择分立式实施方案。这两种解决方案的最 大电机逆变器级效率均为 96% 或 97%，典型功率损耗为6W至7.5W。这种低效率导致需要散热器件(例如散热器)、更大的 PCB(为了散热)和更昂贵的电机才能达到特定的系统效率。DRV7308 GaN IPM可以在更小的封装内帮助将功率损耗降低 50% 甚至更多，从而实现高于 99% 的电机逆变器效率，如图3所示。

图3：DRV7308 GaN IPM和IGBT IPM 在250W系统中的效率比较

鉴于GaN固有的技术优势(无反向恢复损耗、低输出电容、无尾电流、更高的压摆率能力以及205mΩ的低漏源导通电阻)，DRV7308可以使功率损耗减半。得益于功率损耗降低50%甚至更多，无需再使用散热器来消散功率损耗所产生的热量。

DRV7308采用12mm x 12mm封装，比同类250W IPM 小 55%;请参阅图4，查看比较数据。最终，这些GaN IPM 优势和小封装尺寸有助于将PCB尺寸缩小65%以上，从而降低 PCB 和散热器件的成本。表2列出了在250W系统中使用DRV7308时节省的成本。

图4：DRV7308电路板与250W IGBT解决方案的比较

在这些应用中，电机的设计有时对总体系统成本有重大影响。HVAC系统2023年季节能效比 (SEER) 等级为14时，要求效率为85%，提高了5%。DRV7308可实现高于99%的效率，超过85%的效率要求，而且不增加电机成本。请参阅表 3。

表3：使用IGBT或DRV7308时的250W HVAC压缩机系统效率

总的来说，具有更高效率和可靠性的新款电器和HVAC系统正在不断推向市场。DRV7308解决了此类产品在电机逆变器方面长期面临的难题，有助于进一步突破界限，实现更高的功率密度和可靠性以及更低的可闻噪声。

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