讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器PCB面積減小55%，解密TI集成式GaN IPM新品

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）提到電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，很多人第一時(shí)間想到的是新能源汽車，實(shí)際上在家電及HVAC系統(tǒng)等市場(chǎng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器同樣應(yīng)用廣泛。近日，德州儀器 (TI）推出了適用于250W電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的先進(jìn)650V三相GaN IPM（智能功率模塊）， 解決了工程師在設(shè)計(jì)家用電器及加熱、通風(fēng)和HVAC系統(tǒng)時(shí)通常面臨的許多設(shè)計(jì)和性能折中問題。

新的能源要求給逆變器設(shè)計(jì)帶來新挑戰(zhàn)

逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的電力裝置，在家電及HVAC系統(tǒng)市場(chǎng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器能夠?qū)⒌蛪褐绷麟娹D(zhuǎn)化為高頻高壓交流電，進(jìn)而高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。逆變器方案主要由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成，傳統(tǒng)逆變橋主要基于IGBT和MOSFET的解決方案。

驅(qū)動(dòng)逆變器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里的核心部件，逆變器的效率直接影響著設(shè)備的能效表現(xiàn)。挑戰(zhàn)在于，目前全球主要國(guó)家和地區(qū)都在陸續(xù)推出更加嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，隨之而來的是更嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)逐步逼近傳統(tǒng)Si器件的效率極限。

優(yōu)化逆變器的主要方式有優(yōu)化逆變器的設(shè)計(jì)，使用高質(zhì)量的電子元件和先進(jìn)的制造工藝，以及改善逆變器的工作環(huán)境等。一款高質(zhì)量的逆變器方案，不僅能夠帶來更高的能效表現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)在外圍器件使用方面得到優(yōu)化。

作為第三代半導(dǎo)體的代表，GaN材料具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度。GaN器件在電源轉(zhuǎn)換方面相對(duì)于硅提供了許多優(yōu)勢(shì)，比如低導(dǎo)通和切換損耗以及在高切換頻率下運(yùn)行的能力，帶來了系統(tǒng)層面在電源轉(zhuǎn)換效率、改善功率密度和更簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換器拓?fù)渖系膬?yōu)勢(shì)。并且，相較于同為第三代半導(dǎo)體的SiC器件，GaN器件具有更優(yōu)的成本優(yōu)勢(shì)。因此，在600V以下應(yīng)用中，使用GaN器件替代傳統(tǒng)Si器件是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大方向，能夠幫助工程師更好地應(yīng)對(duì)能效挑戰(zhàn)。隨著器件設(shè)計(jì)方案的更新和優(yōu)化，未來這一范圍可能擴(kuò)展到900V，甚至是1000V。

德州儀器發(fā)布集成式GaN IPM

為了幫助工程師更好地利用GaN器件，近日，德州儀器發(fā)布了一款集成式GaN IPM新品。這款GaN IPM集成德州儀器自有的GaN技術(shù)，內(nèi)含6只GaN器件，可實(shí)現(xiàn)99%以上的逆變器效率，能夠優(yōu)化聲學(xué)性能、縮減解決方案尺寸并降低系統(tǒng)成本。

德州儀器集成式GaN IPM新品


德州儀器GaN IPM在電機(jī)逆變器中的應(yīng)用

德州儀器GaN IPM新品的型號(hào)為DRV7308，與現(xiàn)有的IGBT和MOSFET的解決方案相比，功率損耗減少了50%。通過下圖能夠看到，DRV7308與IGBT相比具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，其中圖中的紅線為德州儀器DRV7308的具體表現(xiàn)，在250W電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，基于這款器件的逆變器效率超過了99%，相較于基于IGBT的方案，有明顯的改善。

德州儀器GaN IPM的效率表現(xiàn)

DRV7308能夠幫助工程師輕松應(yīng)對(duì)更嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)。德州儀器銷售與市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Charlie Munoz舉例說，對(duì)于HVAC系統(tǒng)而言，新的SEER評(píng)級(jí)為14，因此要求系統(tǒng)的效率達(dá)到85%，以前的標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)的效率僅為80%，工程師可以通過DRV7308的99%高效率來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)85%整體效率的要求，且不需要增加電機(jī)的成本?；蛘咝什蛔兊那闆r下使用較低成本的電機(jī)，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，電機(jī)的成本在整個(gè)系統(tǒng)成本中的占比較高。另外，DRV7308具有更加出色的熱性能，功耗可降低50%，這也是幫助工程師應(yīng)對(duì)家電和 HVAC 系統(tǒng)的能效標(biāo)準(zhǔn)（如SEER、MEPS、Energy Star 和 Top Runner 標(biāo)準(zhǔn)）日益嚴(yán)格的有效手段。

DRV7308另一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是小體積。如下圖所示，與250W IGBT解決方案相比，DRV7308 可減小PCB面積。DRV7308采用12mm x 12mm封裝，無需外部散熱器，與同類IPM解決方案相比，電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器印刷電路板 (PCB) 的尺寸可縮減高達(dá)55%。

基于DRV7308的小型化方案

目前，DRV7308集成式GaN三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IPM支持預(yù)量產(chǎn)，現(xiàn)可通過TI.com采購(gòu)。在未來的產(chǎn)品規(guī)劃上，德州儀器系統(tǒng)工程師張宏亮先生 (Hely Zhang)介紹稱，適用于250W電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用是德州儀器發(fā)展GaN IPM的一個(gè)起點(diǎn)，能夠滿足空調(diào)的風(fēng)機(jī)、冰箱的壓縮機(jī)、機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及洗碗機(jī)等方面的需求。后續(xù)，德州儀器將會(huì)規(guī)劃更多的GaN IPM產(chǎn)品，以覆蓋更高和更低功率的應(yīng)用需求。

結(jié)語

目前，全球主要國(guó)家和地區(qū)在能效標(biāo)準(zhǔn)方面的要求越來越嚴(yán)格，這給家電和HVAC等產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了更大的挑戰(zhàn)。德州儀器DRV7308集成式GaN IPM通過超過99%的效率，讓工程師能夠從容應(yīng)對(duì)這些能效標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，DRV7308在器件體積和方案面積方面也很有優(yōu)勢(shì)，能夠順應(yīng)當(dāng)前家電和HVAC等產(chǎn)品集成化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)。