ZHCT535 June 2024 DRV7308
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 (HVAC) 系統)具備出色的能效和產品可靠性。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。在設計這些系統時,對電機將電能轉換為機械運動的方式進行優化至關重要。電機系統設計人員通常會修改電機總成的物理設計,對屬性進行調整以實現特定的額定電壓和速度。系統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的一些要求,以及它們的重要性。
| 系統要求 | 性能影響 | 技術挑戰 |
|---|---|---|
| 功率輸出和性能 | 實現預期運動 優化速度 輸出高扭矩 |
更快的壓擺率和開關 更高的電壓 更大的電流 |
| 熱管理和能效 | 系統效率 更大限度降低磨損 延長使用壽命并避免過熱 |
系統導通和反向恢復損耗 空間限制 散熱器效果 |
| 尺寸和成本 | 市場競爭力 便利性 |
特性集成 集成電路封裝技術 |
| 電磁干擾 (EMI) 和噪聲 | 電氣干擾 消費者可聽到的噪聲 |
壓擺率控制 精確且靈敏的計時 |
| 可靠性和安全性 | 對消費者的危害 維修成本 品牌質量聲譽 |
電氣額定值 保護和監測功能 制造質量 |
擁有適合當前任務的元件可以簡化開發過程。例如,TI 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。如需更多信息,請下載白皮書“三相集成 GaN 技術如何更大限度提高電機驅動器的性能”。
DRV7308 適合 250W 家用電器應用,例如 HVAC 壓縮機。圖 2 是該系統的方框圖,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通常包括交流/直流級、EMI 濾波器、電機逆變器級和電機。
圖 2 所示的這類高壓系統包含主要成本元件,其中包括 PCB、散熱器及其組合件、無源器件和電機。TI 的 GaN IPM 技術在所有這些主要元件中都具有成本優勢,并最終有助于在系統的整個生命周期內節省能源成本。
目前,在設計 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效率。DRV7308 GaN IPM 可以在更小的封裝內幫助將功率損耗降低 50% 甚至更多,從而實現高于 99% 的電機逆變器效率,如圖 3 所示。
圖 3 DRV7308 GaN IPM 和 IGBT IPM 在
250W 系統中的效率比較鑒于 GaN 固有的技術優勢(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功率損耗所產生的熱量。
DRV7308 采用 12mm x 12mm 封裝,比同類 250W IPM 小 55%;請參閱圖 4,查看比較數據。最終,這些 GaN IPM 優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 系統中使用 DRV7308 時節省的成本。
圖 4 DRV7308 電路板與 250W IGBT
解決方案的比較在 250W 系統中節省的系統成本超過 2 美元
| 優勢 | 成本節省 |
|---|---|
| 取消散熱器(成本 + 組裝) | 1.00 美元 |
| 使用更高效的電機滿足系統效率標準,降低電機成本 | 0.90 美元 |
| 集成式單分流器運算放大器 更少的分立式元件 PCB 尺寸減小:12mm x 12mm 小于 32mm x 12.5mm |
0.10 美元 |
在這些應用中,電機的設計有時對總體系統成本有重大影響。HVAC 系統 2023 年季節能效比 (SEER) 等級為 14 時,要求效率為 85%,提高了 5%。DRV7308 可實現高于 99% 的效率,超過 85% 的效率要求,而且不增加電機成本。
在 HVAC 電機制造中,電機效率每提高 1%,就可以節省大約 0.35 美元(由于繞組和銅線粗度變化);因此,我們估計使用 DRV7308 可節省高達 0.63 美元的電機銅材成本。請參閱表 3。
| 電機輸出功率 (W) | 電機效率 (%) | IPM 效率 (%) | 系統效率 (%) | 說明 | |
|---|---|---|---|---|---|
| IGBT | 250 | 85.0% | 97.0% | 80.8% | SEER 等級為 13(當前)的現有解決方案 |
| IGBT | 250 | 89.4% | 97.0% | 85.0% | SEER 為 13(2023 年及以后)的 IGBT 解決方案 |
| DRV7308 | 250 | 87.6% | 99.0% | 85.0% | SEER 為 14(2023 年及以后)且基于 GaN 的解決方案 |
| DRV7308 可幫助以較低效率的電機達到 SEER 等級 14 | 1) | ||||
具有更高效率和可靠性的新款電器和 HVAC 系統正在不斷推向市場。DRV7308 解決了此類產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,實現更高的功率密度和可靠性以及更低的可聞噪聲。
所有商標均為其各自所有者的財產。