技術(shù)干貨 | 通過基于 GaN 的電機系統(tǒng)設(shè)計提高家電能效并節(jié)省成本

2025China.cn 2024年08月07日

當(dāng)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(guān)品牌推廣息息相關(guān)。消費者期望這類終端設(shè)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(jié)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(qū)動器應(yīng)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(fēng)機為例，這些類型的終端設(shè)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(shè)計這些系統(tǒng)時，對電機將電能轉(zhuǎn)換為機械運動的方式進行優(yōu)化至關(guān)重要。電機系統(tǒng)設(shè)計人員通常會修改電機總成的物理設(shè)計，對屬性進行調(diào)整以實現(xiàn)特定的額定電壓和速度。系統(tǒng)的電氣設(shè)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。

表 1: 電機系統(tǒng)要求、影響和常見挑戰(zhàn)

擁有適合當(dāng)前任務(wù)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(shù)整合到一款新的電機驅(qū)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，因此可以將系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用，例如 HVAC 壓縮機。圖 2 是該系統(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(qū)動器系統(tǒng)方框圖

圖 2 所示的這類高壓系統(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(shù)在所有這些主要元件中都具有成本優(yōu)勢，并最終有助于在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)節(jié)省能源成本。

目前，在設(shè)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(dǎo)體場效應(yīng)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(dǎo)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(shù)優(yōu)勢(無反向恢復(fù)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(dǎo)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功率損耗所產(chǎn)生的熱量。

DRV7308 采用 12mm x 12mm 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。表 2 列出了在 250W 系統(tǒng)中使用 DRV7308 時節(jié)省的成本。

圖 4: DRV7308 電路板與 250W IGBT 解決方案的比較

在這些應(yīng)用中，電機的設(shè)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，要求效率為 85%，提高了 5%。DRV7308 可實現(xiàn)高于 99% 的效率，超過 85% 的效率要求，而且不增加電機成本。請參閱表 3。