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讓電機驅動逆變器PCB面積減小55%,解密TI集成式GaN IPM新品

Felix分析 ? 來源:電子發燒友 ? 作者:吳子鵬 ? 2024-06-28 00:21 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/吳子鵬)提到電機驅動逆變器,很多人第一時間想到的是新能源汽車,實際上在家電及HVAC系統等市場,電機驅動逆變器同樣應用廣泛。近日,德州儀器 (TI)推出了適用于250W電機驅動器應用的先進650V三相GaN IPM(智能功率模塊), 解決了工程師在設計家用電器及加熱、通風和HVAC系統時通常面臨的許多設計和性能折中問題。

新的能源要求給逆變器設計帶來新挑戰

逆變器是一種將直流電轉化為交流電的電力裝置,在家電及HVAC系統市場,電機驅動逆變器能夠將低壓直流電轉化為高頻高壓交流電,進而高效地驅動電機。逆變器方案主要由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成,傳統逆變橋主要基于IGBTMOSFET的解決方案。

驅動逆變器是電機驅動系統里的核心部件,逆變器的效率直接影響著設備的能效表現。挑戰在于,目前全球主要國家和地區都在陸續推出更加嚴格的環保法規,隨之而來的是更嚴格的能效標準,已經逐步逼近傳統Si器件的效率極限。

優化逆變器的主要方式有優化逆變器的設計,使用高質量的電子元件和先進的制造工藝,以及改善逆變器的工作環境等。一款高質量的逆變器方案,不僅能夠帶來更高的能效表現,同時也會在外圍器件使用方面得到優化。

作為第三代半導體的代表,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器件在電源轉換方面相對于硅提供了許多優勢,比如低導通和切換損耗以及在高切換頻率下運行的能力,帶來了系統層面在電源轉換效率、改善功率密度和更簡單轉換器拓撲上的優勢。并且,相較于同為第三代半導體的SiC器件,GaN器件具有更優的成本優勢。因此,在600V以下應用中,使用GaN器件替代傳統Si器件是產業發展的大方向,能夠幫助工程師更好地應對能效挑戰。隨著器件設計方案的更新和優化,未來這一范圍可能擴展到900V,甚至是1000V。

德州儀器發布集成式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,內含6只GaN器件,可實現99%以上的逆變器效率,能夠優化聲學性能、縮減解決方案尺寸并降低系統成本。

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德州儀器集成式GaN IPM新品

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德州儀器GaN IPM在電機逆變器中的應用


德州儀器GaN IPM新品的型號為DRV7308,與現有的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勢,其中圖中的紅線為德州儀器DRV7308的具體表現,在250W電機驅動器應用中,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。

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德州儀器GaN IPM的效率表現


DRV7308能夠幫助工程師輕松應對更嚴格的能效標準。德州儀器銷售與市場應用經理Charlie Munoz舉例說,對于HVAC系統而言,新的SEER評級為14,因此要求系統的效率達到85%,以前的標準要求系統的效率僅為80%,工程師可以通過DRV7308的99%高效率來實現系統85%整體效率的要求,且不需要增加電機的成本。或者效率不變的情況下使用較低成本的電機,因為在這些應用中,電機的成本在整個系統成本中的占比較高。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對家電和 HVAC 系統的能效標準(如SEER、MEPS、Energy Star 和 Top Runner 標準)日益嚴格的有效手段。

DRV7308另一個顯著的優勢是小體積。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,電機驅動逆變器印刷電路板 (PCB) 的尺寸可縮減高達55%。

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基于DRV7308的小型化方案


目前,DRV7308集成式GaN三相電機驅動器IPM支持預量產,現可通過TI.com采購。在未來的產品規劃上,德州儀器系統工程師張宏亮先生 (Hely Zhang)介紹稱,適用于250W電機驅動器應用是德州儀器發展GaN IPM的一個起點,能夠滿足空調的風機、冰箱的壓縮機、機器人電機驅動,以及洗碗機等方面的需求。后續,德州儀器將會規劃更多的GaN IPM產品,以覆蓋更高和更低功率的應用需求。

結語

目前,全球主要國家和地區在能效標準方面的要求越來越嚴格,這給家電和HVAC等產品設計帶來了更大的挑戰。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對這些能效標準。同時,DRV7308在器件體積和方案面積方面也很有優勢,能夠順應當前家電和HVAC等產品集成化和小型化的發展趨勢。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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