当今的大型家用电器市场与能源效率和“能源之星”认证等相关品牌推广息息相关。消费者期望这类终端设备（如冰箱或暖通空调(HVAC)系统）具备出色的能效和产品可靠性。在本文中，我们将探讨氮化镓(GaN)和无刷直流(BLDC)电机系统的结合如何帮助提高消费者的生活水平。
图1所示为注重能效的典型家用电器。
图1 线路供电的家用电器和HVAC电机驱动器应用
冰箱和HVAC是对家庭用电量影响较大的典型家用电器，因此我们以冰箱压缩机和HVAC加热炉鼓风机为例，这些类型的终端设备使用电机系统来控制空气和液体的流量，从而达到加热和制冷的目的。在设计这些系统时，对电机将电能转换为机械运动的方式进行优化至关重要。电机系统设计人员通常会修改电机总成的物理设计，对属性进行调整以实现特定的额定电压和速度。电机系统的电气设计还需要采用正确的印刷电路板(PCB)布局，以及能够为电机换向和电力输送提供正确信号的电子元件。
表1 列出了电器电机系统的一些要求，以及它们的重要性。
拥有适合当前任务的元件可以简化开发过程。例如，德州仪器已将其三层金属E模式GaN技术整合到一款新的电机驱动器产品中来满足专门的要求。DRV7308能够支持650V电压，几乎具备运行三相BLDC电机所需的所有功能，采用足够小的封装，因此可以将电机系统设计成特别小的尺寸。如果在功率低于250W的情况下运行，甚至可能不需要散热器。
DRV7308适合250W家用电器应用，例如HVAC压缩机。图2是该电机系统的方框图，其中包含我们的GaN智能电源模块(IPM)。这些由线路供电的电机系统通常包括交流/直流级、EMI滤波器、电机逆变器级和电机。
图2 BLDC电机驱动器系统方框图
图2所示的这类高压电机系统包含主要成本元件，其中包括PCB、散热器及其组合件、无源器件和电机。德州仪器的GaN IPM技术在所有这些主要元件中都具有成本优势，并最终有助于在电机逆变器系统的整个电机生命周期内节省能源成本。
目前，在电机逆变器设计250W HVAC压缩机电机逆变器级时有两种选择：使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT) IPM，或者选择分立式实施方案。这两种电机解决方案的最大电机逆变器级效率均为96%或97%，典型功率损耗为6W至7.5W。这种低效率导致需要散热器件（例如散热器）、更大的PCB（为了散热）和更昂贵的电机才能达到特定的系统效率。DRV7308 GaN IPM可以在更小的封装内帮助将电机功率损耗降低50%甚至更多，从而实现高于99%的电机逆变器效率，如图3所示。
图3 DRV7308 GaN IPM和IGBT IPM在250W系统中的效率比较
鉴于GaN固有的技术优势（无反向恢复损耗、低输出电容、无尾电流、更高的压摆率能力以及205mΩ的低漏源导通电阻），DRV7308可以使功率损耗减半。得益于功率损耗降低50%甚至更多，无需再使用散热器来消散电机功率损耗所产生的热量。
DRV7308采用12mmx12mm封装，比同类250W IPM小55%；请参阅图4，查看比较数据。最终，这些GaN IPM优势和小封装尺寸有助于将PCB尺寸缩小65%以上，从而降低PCB和散热器件的成本。
图4 DRV7308电路板与250W IGBT解决方案的比较
在这些应用中，电机的设计有时对总体系统成本有重大影响。HVAC系统2023年季节能效比(SEER)等级为14时，要求电机效率为85%，提高了5%。DRV7308可实现高于99%的效率，超过85%的电机效率要求，而且不增加电机成本。请参阅表2。
表2 使用IGBT或DRV7308时的250W HVAC压缩机系统效率
结语
具有更高效率和可靠性的新款电器和HVAC系统正在不断推向市场。DRV7308解决了此类产品在电机逆变器方面长期面临的难题，有助于进一步突破界限，实现更高的功率密度和可靠性以及更低的可闻噪声。 |
