GaN智能功率模塊（IPM），讓家電走向超靜音和能效新高度

隨著低碳節(jié)能發(fā)展，家電的能效要求也越來越高。在系統(tǒng)成本不增加的前提下，讓家電變得更加靜音和高效，是設(shè)計(jì)工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。尤其是對(duì)于工作電壓較高的大型家電，如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)以及HVAC等，需要考慮到更多的轉(zhuǎn)換、隔離和實(shí)時(shí)控制問題，因此對(duì)于能效的提高的難度更大。而GaN器件憑借著更高的開關(guān)頻率和更好的能效表現(xiàn)，開始逐漸進(jìn)入家電設(shè)計(jì)者的視野。

近日，TI推出了業(yè)界首個(gè)GaN智能功率模塊（IPM）——DRV7308。德州儀器銷售與市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Charlie Munoz和德州儀器系統(tǒng)工程師Hely Zhang在新品發(fā)布會(huì)上和記者介紹這一新品的主要特點(diǎn)。

GaN能效提高，帶來多項(xiàng)系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)勢(shì)

DRV7308 是一款先進(jìn)的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（GaN IPM），內(nèi)部集成了六只650V高壓GaN FETs。該模塊利用第三代氮化鎵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了99%以上的驅(qū)動(dòng)器效率，顯著提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率并減少了發(fā)熱，從而無需外部散熱設(shè)計(jì)，這也進(jìn)一步提供了系統(tǒng)功率密度。相較于傳統(tǒng)的 IGBT和MOSFET 解決方案，DRV7308 的功率損耗降低了50%，死區(qū)時(shí)間和傳播延遲也在行業(yè)中達(dá)到了較低水平。與基于 IGBT MOSFET 的方案相比，使用DRV7308 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器可以使印刷電路板尺寸縮減高達(dá)55%。此外，該模塊支持更高的脈寬調(diào)整開關(guān)頻率，有效減少了聽覺噪音和系統(tǒng)振動(dòng)。

據(jù)Charlie Munoz介紹，傳統(tǒng)的IGBT和MOSFET IPM需要外部散熱器來散熱，而且散熱器的體積比較大，需要占用較多的板面和空間，而 TI 的GaN IPM，采用業(yè)內(nèi)較小的封裝尺寸 12*12 毫米，并且擁有更高的效率，因此可以實(shí)現(xiàn)在無散熱器的情況下 輸出250W 功率。與基于 IGBT MOSFET 的解決方案相比，緊湊的尺寸，以及帶有電流檢測(cè)放大器和保護(hù)功能的先進(jìn)的氮化鎵智能功率模塊，使得電路板的尺寸縮減高達(dá) 55%。

而散熱的減少，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性?！半姍C(jī)和驅(qū)動(dòng)器的使用壽命取決于它的工作溫度，而 DRV7308 的高效率和高集成度，可以減少電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體可靠性，并延長(zhǎng)使用壽命。”Charlie Munoz進(jìn)一步解釋到，“而每個(gè)氮化鎵 FET 的短路保護(hù)功能及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的二級(jí)電流保護(hù)功能，也可以提高系統(tǒng)的可靠性?！?

GaN IPM：助力家電邁向超靜音和能效新高度

DRV7308的主打應(yīng)用在家電方向，適用于最大絕對(duì)電壓不超過650V、20W～350W的功率等級(jí)的各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，包括吊扇、空調(diào)、洗衣機(jī)和冰箱，乃至工業(yè)用的HVAC等。憑借著GaN的出色器件特性，能夠幫助家電中的電機(jī)減少能效損失，達(dá)到更高的能效等級(jí)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超靜音的體驗(yàn)。

對(duì)比IGBT IPM和GaN IPM的兩套方案在同樣的250W的系統(tǒng)中，在各種不同的負(fù)載下，使用GaN IPM的電機(jī)逆變器效率提高了1.9%-2.6%。值得一提的是，IGBT 電路板還需要額外的散熱器來輔助散熱，才能實(shí)現(xiàn)其所能達(dá)到的最高工作效率 97.2%，而相比之下TI的GaN IPM，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，并且不需要額外的散熱器。

Hely表示，相對(duì)于2個(gè)功率管的半橋集成驅(qū)動(dòng)方案，集成了六只GaN FETs的方案體積會(huì)更小。因?yàn)镈RV7308可以達(dá)到 99%的效率，所以損耗只有1%。對(duì)于 250W 的輸出功率來說，1%就只有2.5w，這2.5W的熱量可以比較容易的通過模塊本身和以及電路板的鋪銅設(shè)計(jì)來耗散掉，這樣就不需要散熱器了。在該展示中的250W功率等級(jí)只是基于當(dāng)前的DRV7308參考設(shè)計(jì)所測(cè)試的功率，如果客制的設(shè)計(jì)中可以提供更大的散熱面積，那么整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率就可以達(dá)到更高。同時(shí)，TI未來更高輸出功率的氮化鎵器件。

Charlie Munoz強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率對(duì)于家電滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要：客戶可以通過選擇TI GaN IPM，來將原先僅滿足舊標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備更新到符合更高的能效要求；或者在同樣的能效表現(xiàn)上，選擇更低成本的電機(jī)配合GaN IPM從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本降低。

例如對(duì)于暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，要滿足最新的SEER評(píng)級(jí)為14，那么系統(tǒng)的效率達(dá)到 85%，而以前的標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)的效率僅為 80%，那么現(xiàn)在就可以通過 DRV7308 的 99%高效率來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 85%整體效率的要求，且不需要增加電機(jī)的成本。

除了能效之外，另一個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)提升在于超靜音的體驗(yàn)。傳統(tǒng)的IGBT/MOSFET IPM存在著電流失真、諧波、電流/扭矩波動(dòng)的問題，因此容易產(chǎn)生一些噪音。

電流失真會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)不均勻，這種不均勻性會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部零件的振動(dòng)。這種振動(dòng)通過空氣或結(jié)構(gòu)傳遞，最終表現(xiàn)為噪音。諧波會(huì)導(dǎo)致額外的磁場(chǎng)振蕩，這些振蕩可引起機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪音。此外諧波還可能導(dǎo)致電源線和電機(jī)線圈中的共振，增加噪音。電流和扭矩的波動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，可能表現(xiàn)為速度的忽快忽慢。這種不穩(wěn)定性使得電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生額外的機(jī)械振動(dòng)和聲音。此外扭矩的忽增忽減會(huì)引起連接件和負(fù)載之間的撞擊聲，進(jìn)一步增加噪音水平。

總之，IGBT IPM中的電流失真、諧波和電流/扭矩波動(dòng)都能通過引起機(jī)械振動(dòng)和聲波振動(dòng)來產(chǎn)生噪音。減少這些電氣現(xiàn)象的發(fā)生不僅能降低噪音，還能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。使用如氮化鎵（GaN）技術(shù)的高效智能功率模塊（IPM）可以在設(shè)計(jì)上減少這些不利影響，從而提高設(shè)備的整體性能和耐用性。

TI的GaN IPM在這方面具備諸多優(yōu)勢(shì)：一是通過降低諧波和簡(jiǎn)化控制算法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)更低的空轉(zhuǎn)時(shí)間；二是在低速運(yùn)行時(shí)簡(jiǎn)化電流感測(cè)，減少輸出電壓和電流的失真，實(shí)現(xiàn)了更低的傳播延遲；三是讓三相調(diào)制在更高的切換頻率下進(jìn)行，從而減少了電流波動(dòng)。這三大特點(diǎn)在一起，幫助家電實(shí)現(xiàn)了更好的聲學(xué)效果，從而為用戶帶來了超靜音的體驗(yàn)。

結(jié)語

據(jù)悉，DRV7308 現(xiàn)已開始小批量生產(chǎn)，目前可以提供參考設(shè)計(jì)TIDA-010273給到客戶預(yù)先開始設(shè)計(jì)?！案吖β屎透吣苄堑轮輧x器的一個(gè)重要投資領(lǐng)域，隨著世界向更嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)，我們看到了應(yīng)用氮化鎵技術(shù)的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗梢詰?yīng)對(duì)高效節(jié)能電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求?！盋harlie說到，“250W 實(shí)際上只是 TI 的起點(diǎn)，我們正在投資氮化鎵 IPM 以支持更多的其他應(yīng)用，我們會(huì)專注于效率提升的機(jī)會(huì)，向上和向下拓展到更高和更低功率級(jí)別的市場(chǎng)?！?