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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。
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系统要求 |
性能影响 |
技术挑战 |
|
功率输出和性能 |
实现预期运动 优化速度 输出高扭矩 |
更快的压摆率和开关 更高的电压 更大的电流 |
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热管理和能效 |
系统效率 更大限度降低磨损 延长使用寿命并避免过热 |
系统导通和反向恢复损耗 空间限制 散热器效果 |
|
尺寸和成本 |
市场竞争力 便利性 |
特性集成 集成电路封装技术 |
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电磁干扰 (EMI) 和噪声 |
电气干扰 消费者可听到的噪声 |
压摆率控制 精确且灵敏的计时 |
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可靠性和安全性 |
对消费者的危害 维修成本 品牌质量声誉 |
电气额定值 保护和监测功能 制造质量 |
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。如需更多信息，请下载白皮书“三相集成 GaN 技术如何更大限度提高电机驱动器的性能”。
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。
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 2。
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电机输出功率 (W) |
电机效率 (%) |
IPM 效率 (%) |
系统效率 (%) |
说明 |
|
|
IGBT |
250 |
85.0% |
97.0% |
80.8% |
SEER 等级为 13（当前）的现有解决方案 |
|
IGBT |
250 |
89.4% |
97.0% |
85.0% |
SEER 为 13（2023 年及以后）的 IGBT 解决方案 |
|
DRV7308 |
250 |
87.6% |
99.0% |
85.0% |
SEER 为 14（2023 年及以后）且基于 GaN 的解决方案 |
|
DRV7308 可帮助以较低效率的电机达到 SEER 等级 14 |
1) |
||||
1）假设系统中其他元件的效率为 98%。
表 2 使用 IGBT 或 DRV7308 时的 250W HVAC 压缩机系统效率
结语
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。
关于德州仪器 (TI)
德州仪器是一家全球性的半导体公司，从事设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，让世界更美好。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础上，使我们的技术变得更可靠、更经济、更节能，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用。
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