NEST072 June 2024 DRV7308
現(xiàn)今主要家用電器的市場(chǎng)與能源效率和相關(guān)品牌密切相關(guān)，例如 Energy Star 認(rèn)證等。例如冰箱或暖氣、通風(fēng)與空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)等，消費(fèi)者期望這類終端設(shè)備能具備高水準(zhǔn)的電源效率與產(chǎn)品可靠性。因此在本文中，我們將探索氮化鎵 (GaN) 與無(wú)刷 DC (BLDC) 馬達(dá)系統(tǒng)的組合可如何協(xié)助提升消費(fèi)者的生活。
圖 1 顯示了能源效率在其中占有重要地位的一般家電。
圖 1 以線路供電的家電和 HVAC 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用就大量耗用家庭用電的家用電器而言，冰箱壓縮機(jī)和 HVAC 爐鼓風(fēng)機(jī)是典型的例子，這類終端設(shè)備使用馬達(dá)系統(tǒng)來(lái)控制加熱和冷卻應(yīng)用的空氣與液體流動(dòng)。設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)馬達(dá)將電力轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的作業(yè)，進(jìn)行最佳化。馬達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常會(huì)修改馬達(dá)組件的實(shí)體設(shè)計(jì)，調(diào)整屬性以達(dá)到特定的額定電壓與速度。系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)也需要採(cǎi)用正確的印刷電路板 (PCB) 佈局，以及能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)訊號(hào)以進(jìn)行馬達(dá)整流和電力傳輸?shù)碾娮釉?/p>
表 1 列出了部分家電馬達(dá)系統(tǒng)的需求以及其重要性何在。
| 系統(tǒng)需求 | 對(duì)性能的影響 | 技術(shù)挑戰(zhàn) |
|---|---|---|
| 功率輸出和性能 | 實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng) 將速度最佳化 輸出高扭矩 |
更快的電壓轉(zhuǎn)換速率與切換 更高的電壓 更高的電流 |
| 熱管理和電源效率 | 系統(tǒng)效率 將磨損降到最低 延長(zhǎng)使用時(shí)間且不會(huì)過(guò)熱 |
系統(tǒng)傳導(dǎo)及反向復(fù)原的損耗 空間限制 散熱器效應(yīng) |
| 尺寸和成本 | 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 便利性 |
功能整合 積體電路封裝技術(shù) |
| 電磁干擾 (EMI) 和聲音 | 電氣干擾 對(duì)消費(fèi)者帶來(lái)的噪音 |
電壓轉(zhuǎn)換速率控制 準(zhǔn)確且反應(yīng)靈敏的時(shí)序 |
| 可靠性和安全性 | 消費(fèi)者危險(xiǎn) 修理的成本 關(guān)於品質(zhì)的品牌商譽(yù) |
電氣額定值 保護(hù)和監(jiān)控功能 製造品質(zhì) |
擁有適合手邊任務(wù)的正確元件，可簡(jiǎn)化開發(fā)程序。例如，TI 已將其三層金屬 e-mode GaN 技術(shù)整合至全新的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品中，以滿足專屬要求。DRV7308 可支援 650V，並能代管操作三相位 BLDC 馬達(dá)所需的幾乎所有功能，且容納 DRV7308 的封裝尺寸夠小，讓您可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成非常小的尺寸。如果運(yùn)作功率低於 250W，甚至不需要散熱器。如需詳細(xì)資訊，請(qǐng)下載白皮書「三相整合式 GaN 技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)最高的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)性能」。
DRV7308 以 HVAC 壓縮機(jī)等 250W 家電應(yīng)用為目標(biāo)。圖 2 是此系統(tǒng)與我們 GaN 智慧型電源模組 (IPM) 的原理圖。這些線路供電系統(tǒng)通常包含 AC/DC 級(jí)、EMI 濾波器、馬達(dá)逆變器級(jí)與馬達(dá)。
圖 2 BLDC 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)原理圖如 圖 2 中所示的高電壓系統(tǒng)具有主要成本元件，包括 PCB、散熱器與其組件、被動(dòng)元件和馬達(dá)。TI 的 GaN IPM 技術(shù)可在前述所有主要元件中提供成本優(yōu)勢(shì)，且最終可在系統(tǒng)使用壽命期間節(jié)省能源成本。
設(shè)計(jì) 250W HVAC 壓縮機(jī)馬達(dá)逆變器級(jí)時(shí)，目前有兩種選項(xiàng)：使用金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體 (MOSFET) 或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT) IPM，或是選擇離散式實(shí)作。這兩種解決方案的最大馬達(dá)逆變器級(jí)效率為 96% 或 97%，典型功率損耗則為 6W 至 7.5W。這種偏低的效率水準(zhǔn)需要如散熱器、較大的 PCB 等冷卻元件來(lái)散熱，並且需要較昂貴的馬達(dá)才可達(dá)到指定系統(tǒng)效率。DRV7308 GaN IPM 可透過(guò)更小的封裝，協(xié)助減少 50% 以上的功率損耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高於 99% 的馬達(dá)逆變器效率，如 圖 3 所示。
圖 3 DRV7308 GaN IPM 與 IGBT IPM 在 250W 系統(tǒng)中的效率比較DRV7308 可讓功率損耗減少 2 倍的原因，在於 GaN 所具備的固有技術(shù)優(yōu)勢(shì)：無(wú)反向復(fù)原損耗、低輸出電容、無(wú)尾電流、高電壓轉(zhuǎn)換速率能力，以及 205mΩ 的低汲極至源極導(dǎo)通電阻。功率損耗減少 50% 以上，即可免除因功率損耗所造成的熱量，而需使用散熱器散熱的需求。
DRV7308 採(cǎi)用 12mm x 12mm 封裝，這比 250W IPM 的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品小了 55%；請(qǐng)參閱 圖 4 以查看比較。前述 GaN IPM 優(yōu)勢(shì)與小巧的封裝尺寸，最終可讓您將 PCB 尺寸縮小 65% 以上，進(jìn)而降低 PCB 與冷卻元件的成本。表 2 列出了在 250W 系統(tǒng)中使用 DRV7308 時(shí)可節(jié)省的成本。
圖 4 DRV7308 電路板與 250W IGBT 解決方案的比較250W 時(shí)的系統(tǒng)成本可節(jié)省 >$2
| 益處 | 節(jié)省的成本 |
|---|---|
| 免除散熱器 (成本 + 組件) | $1.00 |
| 利用更有效率的馬達(dá)符合系統(tǒng)效率標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而降低馬達(dá)成本 | $0.90 |
| 整合式單分流運(yùn)算放大器 減少離散式元件 縮減 PCB 尺寸：12mm x 12mm，相對(duì)於 32mm x 12.5mm |
$0.10 |
這類應(yīng)用中的馬達(dá)設(shè)計(jì)有時(shí)在整體系統(tǒng)成本中扮演了主要角色。HVAC 系統(tǒng)的 2023 年季節(jié)能效比 (SEER) 為 14，其要求的效率為 85%，增加了 5%。DRV7308 可實(shí)現(xiàn) >99% 的效率，這超過(guò)了 85% 的效率要求，而且不會(huì)提高馬達(dá)成本。
在 HVAC 馬達(dá)製造中，由於繞組和較粗的銅規(guī)線，所以馬達(dá)效率每提升 1% 就可節(jié)省約 $0.35；因此我們估計(jì)若利用 DRV7308，馬達(dá)銅成本最高可節(jié)省 $0.63。請(qǐng)參閱 表 3。
| 馬達(dá)輸出功率 (W) | 馬達(dá)效率 (%) | IPM 效率 (%) | 系統(tǒng)效率 (%) | 說(shuō)明 | |
|---|---|---|---|---|---|
| IGBT | 250 | 85.0% | 97.0% | 80.8% | SEER 等級(jí) 13 的現(xiàn)有解決方案 (目前) |
| IGBT | 250 | 89.4% | 97.0% | 85.0% | SEER 13 的 IGBT 解決方案 (2023 年以後) |
| DRV7308 | 250 | 87.6% | 99.0% | 85.0% | SEER 14 的 GaN 式解決方案 (2023 年以後) |
| DRV7308 有助於以效率較低的馬達(dá)達(dá)到 SEER 等級(jí) 14 | (1) | ||||
- 假設(shè)系統(tǒng)中其他元件的效率為 98%。
結(jié)論
新的家電和 HVAC 系統(tǒng)繼續(xù)以更高的效率和可靠性進(jìn)入市場(chǎng)。DRV7308 可解決這類產(chǎn)品的馬達(dá)逆變器長(zhǎng)期面臨的挑戰(zhàn)，並協(xié)助進(jìn)一步突破極限，以獲得更優(yōu)異的功率密度與可靠性，同時(shí)減少噪音。
註冊(cè)商標(biāo)
所有商標(biāo)均為其各自所有者的財(cái)產(chǎn)。