當今的大型家用電器市場與能源效率和“能源之星”認證等相關品牌推廣息息相關。消費者期望這類終端設備（如冰箱或暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)）具備出色的能效和產(chǎn)品可靠性。在本文中，我們將探討氮化鎵(GaN)和無刷直流(BLDC)電機系統(tǒng)的結合如何幫助提高消費者的生活水平。
圖1所示為注重能效的典型家用電器。
圖1 線路供電的家用電器和HVAC電機驅動器應用
冰箱和HVAC是對家庭用電量影響較大的典型家用電器，因此我們以冰箱壓縮機和HVAC加熱爐鼓風機為例，這些類型的終端設備使用電機系統(tǒng)來控制空氣和液體的流量，從而達到加熱和制冷的目的。在設計這些系統(tǒng)時，對電機將電能轉換為機械運動的方式進行優(yōu)化至關重要。電機系統(tǒng)設計人員通常會修改電機總成的物理設計，對屬性進行調(diào)整以實現(xiàn)特定的額定電壓和速度。電機系統(tǒng)的電氣設計還需要采用正確的印刷電路板(PCB)布局，以及能夠為電機換向和電力輸送提供正確信號的電子元件。
表1 列出了電器電機系統(tǒng)的一些要求，以及它們的重要性。
擁有適合當前任務的元件可以簡化開發(fā)過程。例如，德州儀器已將其三層金屬E模式GaN技術整合到一款新的電機驅動器產(chǎn)品中來滿足專門的要求。DRV7308能夠支持650V電壓，幾乎具備運行三相BLDC電機所需的所有功能，采用足夠小的封裝，因此可以將電機系統(tǒng)設計成特別小的尺寸。如果在功率低于250W的情況下運行，甚至可能不需要散熱器。
DRV7308適合250W家用電器應用，例如HVAC壓縮機。圖2是該電機系統(tǒng)的方框圖，其中包含我們的GaN智能電源模塊(IPM)。這些由線路供電的電機系統(tǒng)通常包括交流/直流級、EMI濾波器、電機逆變器級和電機。
圖2 BLDC電機驅動器系統(tǒng)方框圖
圖2所示的這類高壓電機系統(tǒng)包含主要成本元件，其中包括PCB、散熱器及其組合件、無源器件和電機。德州儀器的GaN IPM技術在所有這些主要元件中都具有成本優(yōu)勢，并最終有助于在電機逆變器系統(tǒng)的整個電機生命周期內(nèi)節(jié)省能源成本。
目前，在電機逆變器設計250W HVAC壓縮機電機逆變器級時有兩種選擇：使用金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT) IPM，或者選擇分立式實施方案。這兩種電機解決方案的最大電機逆變器級效率均為96%或97%，典型功率損耗為6W至7.5W。這種低效率導致需要散熱器件（例如散熱器）、更大的PCB（為了散熱）和更昂貴的電機才能達到特定的系統(tǒng)效率。DRV7308 GaN IPM可以在更小的封裝內(nèi)幫助將電機功率損耗降低50%甚至更多，從而實現(xiàn)高于99%的電機逆變器效率，如圖3所示。
圖3 DRV7308 GaN IPM和IGBT IPM在250W系統(tǒng)中的效率比較
鑒于GaN固有的技術優(yōu)勢（無反向恢復損耗、低輸出電容、無尾電流、更高的壓擺率能力以及205mΩ的低漏源導通電阻），DRV7308可以使功率損耗減半。得益于功率損耗降低50%甚至更多，無需再使用散熱器來消散電機功率損耗所產(chǎn)生的熱量。
DRV7308采用12mmx12mm封裝，比同類250W IPM小55%；請參閱圖4，查看比較數(shù)據(jù)。最終，這些GaN IPM優(yōu)勢和小封裝尺寸有助于將PCB尺寸縮小65%以上，從而降低PCB和散熱器件的成本。
圖4 DRV7308電路板與250W IGBT解決方案的比較
在這些應用中，電機的設計有時對總體系統(tǒng)成本有重大影響。HVAC系統(tǒng)2023年季節(jié)能效比(SEER)等級為14時，要求電機效率為85%，提高了5%。DRV7308可實現(xiàn)高于99%的效率，超過85%的電機效率要求，而且不增加電機成本。請參閱表2。
表2 使用IGBT或DRV7308時的250W HVAC壓縮機系統(tǒng)效率
結語
具有更高效率和可靠性的新款電器和HVAC系統(tǒng)正在不斷推向市場。DRV7308解決了此類產(chǎn)品在電機逆變器方面長期面臨的難題，有助于進一步突破界限，實現(xiàn)更高的功率密度和可靠性以及更低的可聞噪聲。 |
