让电机驱动逆变器PCB面积减小55%，解密TI集成式GaN IPM新品

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）提到电机驱动逆变器，很多人第一时间想到的是新能源汽车，实际上在家电及HVAC系统等市场，电机驱动逆变器同样应用广泛。近日，德州仪器 (TI）推出了适用于250W电机驱动器应用的先进650V三相GaN IPM（智能功率模块）， 解决了工程师在设计家用电器及加热、通风和HVAC系统时通常面临的许多设计和性能折中问题。

新的能源要求给逆变器设计带来新挑战

逆变器是一种将直流电转化为交流电的电力装置，在家电及HVAC系统市场，电机驱动逆变器能够将低压直流电转化为高频高压交流电，进而高效地驱动电机。逆变器方案主要由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，传统逆变桥主要基于IGBT和MOSFET的解决方案。
 
驱动逆变器是电机驱动系统里的核心部件，逆变器的效率直接影响着设备的能效表现。挑战在于，目前全球主要国家和地区都在陆续推出更加严格的环保法规，随之而来的是更严格的能效标准，已经逐步逼近传统Si器件的效率极限。
 
优化逆变器的主要方式有优化逆变器的设计，使用高质量的电子元件和先进的制造工艺，以及改善逆变器的工作环境等。一款高质量的逆变器方案，不仅能够带来更高的能效表现，同时也会在外围器件使用方面得到优化。
 
作为第三代半导体的代表，GaN材料具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度。GaN器件在电源转换方面相对于硅提供了许多优势，比如低导通和切换损耗以及在高切换频率下运行的能力，带来了系统层面在电源转换效率、改善功率密度和更简单转换器拓扑上的优势。并且，相较于同为第三代半导体的SiC器件，GaN器件具有更优的成本优势。因此，在600V以下应用中，使用GaN器件替代传统Si器件是产业发展的大方向，能够帮助工程师更好地应对能效挑战。随着器件设计方案的更新和优化，未来这一范围可能扩展到900V，甚至是1000V。
 

德州仪器发布集成式GaN IPM

为了帮助工程师更好地利用GaN器件，近日，德州仪器发布了一款集成式GaN IPM新品。这款GaN IPM集成德州仪器自有的GaN技术，内含6只GaN器件，可实现99%以上的逆变器效率，能够优化声学性能、缩减解决方案尺寸并降低系统成本。
 

德州仪器集成式GaN IPM新品
 

德州仪器GaN IPM在电机逆变器中的应用

 
德州仪器GaN IPM新品的型号为DRV7308，与现有的IGBT和MOSFET的解决方案相比，功率损耗减少了50%。通过下图能够看到，DRV7308与IGBT相比具有明显的效率优势，其中图中的红线为德州仪器DRV7308的具体表现，在250W电机驱动器应用中，基于这款器件的逆变器效率超过了99%，相较于基于IGBT的方案，有明显的改善。
 

德州仪器GaN IPM的效率表现

 
DRV7308能够帮助工程师轻松应对更严格的能效标准。德州仪器销售与市场应用经理Charlie Munoz举例说，对于HVAC系统而言，新的SEER评级为14，因此要求系统的效率达到85%，以前的标准要求系统的效率仅为80%，工程师可以通过DRV7308的99%高效率来实现系统85%整体效率的要求，且不需要增加电机的成本。或者效率不变的情况下使用较低成本的电机，因为在这些应用中，电机的成本在整个系统成本中的占比较高。另外，DRV7308具有更加出色的热性能，功耗可降低50%，这也是帮助工程师应对家电和 HVAC 系统的能效标准（如SEER、MEPS、Energy Star 和 Top Runner 标准）日益严格的有效手段。
 
DRV7308另一个显著的优势是小体积。如下图所示，与250W IGBT解决方案相比，DRV7308 可减小PCB面积。DRV7308采用12mm x 12mm封装，无需外部散热器，与同类IPM解决方案相比，电机驱动逆变器印刷电路板 (PCB) 的尺寸可缩减高达55%。
 

基于DRV7308的小型化方案

 
目前，DRV7308集成式GaN三相电机驱动器IPM支持预量产，现可通过TI.com采购。在未来的产品规划上，德州仪器系统工程师张宏亮先生 (Hely Zhang)介绍称，适用于250W电机驱动器应用是德州仪器发展GaN IPM的一个起点，能够满足空调的风机、冰箱的压缩机、机器人电机驱动，以及洗碗机等方面的需求。后续，德州仪器将会规划更多的GaN IPM产品，以覆盖更高和更低功率的应用需求。
 

结语

目前，全球主要国家和地区在能效标准方面的要求越来越严格，这给家电和HVAC等产品设计带来了更大的挑战。德州仪器DRV7308集成式GaN IPM通过超过99%的效率，让工程师能够从容应对这些能效标准。同时，DRV7308在器件体积和方案面积方面也很有优势，能够顺应当前家电和HVAC等产品集成化和小型化的发展趋势。