【導(dǎo)讀】當(dāng)今的大型家用電器市場(chǎng)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(wú)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。
當(dāng)今的大型家用電器市場(chǎng)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(wú)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(duì)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(lái)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(duì)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(huì)修改電機(jī)總成的物理設(shè)計(jì),對(duì)屬性進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)特定的額定電壓和速度。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)殡姍C(jī)換向和電力輸送提供正確信號(hào)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(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)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(lái)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。如需更多信息,請(qǐng)下載白皮書(shū)“三相集成 GaN 技術(shù)如何更大限度提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能”。
DRV7308 適合 250W 家用電器應(yīng)用,例如 HVAC 壓縮機(jī)。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(jí)、EMI 濾波器、電機(jī)逆變器級(jí)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(wú)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(shì),并最終有助于在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)省能源成本。
目前,在設(shè)計(jì) 250W HVAC 壓縮機(jī)電機(jī)逆變器級(jí)時(shí)有兩種選擇:使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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。這兩種解決方案的最大電機(jī)逆變器級(jí)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(shì)(無(wú)反向恢復(fù)損耗、低輸出電容、無(wú)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(wú)需再使用散熱器來(lái)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(qǐng)參閱圖 4,查看比較數(shù)據(jù)。最終,這些 GaN IPM 優(yōu)勢(shì)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(duì)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(jí)為 14 時(shí),要求效率為 85%,提高了 5%。DRV7308 可實(shí)現(xiàn)高于 99% 的效率,超過(guò) 85% 的效率要求,而且不增加電機(jī)成本。請(qǐng)參閱表 2。
1)假設(shè)系統(tǒng)中其他元件的效率為 98%。
表 2 使用 IGBT 或 DRV7308 時(shí)的 250W HVAC 壓縮機(jī)系統(tǒng)效率
結(jié)語(yǔ)
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(chǎng)。DRV7308 解決了此類產(chǎn)品在電機(jī)逆變器方面長(zhǎng)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。
(來(lái)源:德州儀器)
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