當(dāng)今的大型家用電器市場與能源效率和“能源之星”認(rèn)證等相關(guān)品牌推廣息息相關(guān)。消費(fèi)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(jī)系統(tǒng)的結(jié)合如何幫助提高消費(fèi)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)和HVAC加熱爐鼓風(fēng)機(jī)為例，這些類型的終端設(shè)備使用電機(jī)系統(tǒng)來控制空氣和液體的流量，從而達(dá)到加熱和制冷的目的。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，對電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常會修改電機(jī)總成的物理設(shè)計(jì)，對屬性進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)特定的額定電壓和速度。電機(jī)系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)還需要采用正確的印刷電路板(PCB)布局，以及能夠?yàn)?A class=keylinka target=_blank>電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的一些要求，以及它們的重要性。
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(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行三相BLDC電機(jī)所需的所有功能，采用足夠小的封裝，因此可以將電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成特別小的尺寸。如果在功率低于250W的情況下運(yùn)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(jī)。圖2是該電機(jī)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(jī)系統(tǒng)通常包括交流/直流級、EMI濾波器、電機(jī)逆變器級和電機(jī)。
圖2 BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)方框圖
圖2所示的這類高壓電機(jī)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(jī)。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，并最終有助于在電機(jī)逆變器系統(tǒng)的整個(gè)電機(jī)生命周期內(nèi)節(jié)省能源成本。
目前，在電機(jī)逆變器設(shè)計(jì)250W HVAC壓縮機(jī)電機(jī)逆變器級時(shí)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(shí)施方案。這兩種電機(jī)解決方案的最大電機(jī)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(jī)才能達(dá)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(jī)功率損耗降低50%甚至更多，從而實(shí)現(xiàn)高于99%的電機(jī)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電機(jī)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(yīng)用中，電機(jī)的設(shè)計(jì)有時(shí)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(shí)，要求電機(jī)效率為85%，提高了5%。DRV7308可實(shí)現(xiàn)高于99%的效率，超過85%的電機(jī)效率要求，而且不增加電機(jī)成本。請參閱表2。
表2 使用IGBT或DRV7308時(shí)的250W HVAC壓縮機(jī)系統(tǒng)效率
結(jié)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(jī)逆變器方面長期面臨的難題，有助于進(jìn)一步突破界限，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和可靠性以及更低的可聞噪聲。 |
