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，是設計工程師們關注的重點。尤其是對于工作電壓較高的大型家電，如洗衣機、冰箱、空調以及HVAC等，需要考慮到更多的轉換、隔離和實時控制問題，因此對于能效的提高的難度更大。而GaN器件憑借著更高的開關頻率和更好的能效表現，開始逐漸進入家電設計者的視野。

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

GaN能效提高，帶來多項系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)勢

DRV7308 是一款先進的三相無刷直流電機驅動模塊（GaN IPM），內部集成了六只650V高壓GaN FETs。該模塊利用第三代氮化鎵技術，實現了99%以上的驅動器效率，顯著提高了電機驅動系統(tǒng)的效率并減少了發(fā)熱，從而無需外部散熱設計，這也進一步提供了系統(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)時間和傳播延遲也在行業(yè)中達到了較低水平。與基于 IGBT MOSFET 的方案相比，使用DRV7308 的電機驅動逆變器可以使印刷電路板尺寸縮減高達55%。此外，該模塊支持更高的脈寬調整開關頻率，有效減少了聽覺噪音和系統(tǒng)振動。

據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，因此可以實現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，以及帶有電流檢測放大器和保護功能的先進的氮化鎵智能功率模塊，使得電路板的尺寸縮減高達 55%。

而散熱的減少，也進一步提高了系統(tǒng)可靠性?！半姍C和驅動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，可以減少電機和驅動器的發(fā)熱，進而提高系統(tǒng)的整體可靠性，并延長使用壽命。”Charlie Munoz進一步解釋到，“而每個氮化鎵 FET 的短路保護功能及電機驅動器的二級電流保護功能，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的主打應用在家電方向，適用于最大絕對電壓不超過650V、20W～350W的功率等級的各種電機驅動設備中，包括吊扇、空調、洗衣機和冰箱，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減少能效損失，達到更高的能效等級要求，同時實現了超靜音的體驗。

對比IGBT IPM和GaN IPM的兩套方案在同樣的250W的系統(tǒng)中，在各種不同的負載下，使用GaN IPM的電機逆變器效率提高了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，才能實現其所能達到的最高工作效率 97.2%，而相比之下TI的GaN IPM，可以實現更高的效率，并且不需要額外的散熱器。

Hely表示，相對于2個功率管的半橋集成驅動方案，集成了六只GaN FETs的方案體積會更小。因為DRV7308可以達到 99%的效率，所以損耗只有1%。對于 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計來耗散掉，這樣就不需要散熱器了。在該展示中的250W功率等級只是基于當前的DRV7308參考設計所測試的功率，如果客制的設計中可以提供更大的散熱面積，那么整個系統(tǒng)的輸出功率就可以達到更高。同時，TI未來更高輸出功率的氮化鎵器件。

Charlie Munoz強調，實現更高的電機驅動效率對于家電滿足更高的標準至關重要：客戶可以通過選擇TI GaN IPM，來將原先僅滿足舊標準的設備更新到符合更高的能效要求；或者在同樣的能效表現上，選擇更低成本的電機配合GaN IPM從而實現系統(tǒng)成本降低。

例如對于暖風空調系統(tǒng)，要滿足最新的SEER評級為14，那么系統(tǒng)的效率達到 85%，而以前的標準要求系統(tǒng)的效率僅為 80%，那么現在就可以通過 DRV7308 的 99%高效率來實現系統(tǒng) 85%整體效率的要求，且不需要增加電機的成本。

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

電流失真會導致電機內部的磁場不均勻，這種不均勻性會導致電機內部零件的振動。這種振動通過空氣或結構傳遞，最終表現為噪音。諧波會導致額外的磁場振蕩，這些振蕩可引起機械振動，進而產生噪音。此外諧波還可能導致電源線和電機線圈中的共振，增加噪音。電流和扭矩的波動導致電機運行不穩(wěn)定，可能表現為速度的忽快忽慢。這種不穩(wěn)定性使得電機和其驅動的機械系統(tǒng)產生額外的機械振動和聲音。此外扭矩的忽增忽減會引起連接件和負載之間的撞擊聲，進一步增加噪音水平。

總之，IGBT IPM中的電流失真、諧波和電流/扭矩波動都能通過引起機械振動和聲波振動來產生噪音。減少這些電氣現象的發(fā)生不僅能降低噪音，還能提高整個系統(tǒng)的效率和可靠性。使用如氮化鎵（GaN）技術的高效智能功率模塊（IPM）可以在設計上減少這些不利影響，從而提高設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：一是通過降低諧波和簡化控制算法，實現了電機系統(tǒng)更低的空轉時間；二是在低速運行時簡化電流感測，減少輸出電壓和電流的失真，實現了更低的傳播延遲；三是讓三相調制在更高的切換頻率下進行，從而減少了電流波動。這三大特點在一起，幫助家電實現了更好的聲學效果，從而為用戶帶來了超靜音的體驗。

結語

據悉，DRV7308 現已開始小批量生產，目前可以提供參考設計TIDA-010273給到客戶預先開始設計?！案吖β屎透吣苄堑轮輧x器的一個重要投資領域，隨著世界向更嚴格的能效標準邁進，我們看到了應用氮化鎵技術的機會，因為它可以應對高效節(jié)能電機驅動的要求?！盋harlie說到，“250W 實際上只是 TI 的起點，我們正在投資氮化鎵 IPM 以支持更多的其他應用，我們會專注于效率提升的機會，向上和向下拓展到更高和更低功率級別的市場?！?