GaN打破功率密度与效率“边界” 高压电机的“小而美”之选 原创

在炎炎夏日，一个可靠且节能的空调系统对于舒适的居家环境来说至关重要。对于消费者们而言，静音且高效地运行的家电产品对他们的生活品质至关重要。

作为全球能源消耗的主要领域之一，家电与暖风空调系统的能效标准日益严格，这让工程师们面临兼具挑战——如何在不增加成本的情况下，设计出更小型、更节能的电机驱动系统，并同时满足消费者对系统的高效率、可靠性、安静性及经济性的多样需求。在当前的技术环境中，如何在保持高能效的同时满足消费者对性能、可靠性和经济性的多样化需求，成为了高压电机驱动系统设计的核心问题。

面对这一桎梏，作为“承上启下”的宽禁带半导体材料，GaN在设计中体现了重要作用，与Si/SiC相比有突出成本优势氮化镓（GaN）是新一代半导体材料，具有超强的导热效率、耐高温和耐酸碱等特点。GaN材料的应用使器件小型化、轻量化，降低了电力电子装置的体积、重量以及制作和生产的成本，能够更好的控制成本，大规模的产业化，实现量产。

市场层面，根据Yole估计，在0～900V的低压市场内，GaN都有较大的应用潜力。按照整体市场154亿美元来看，占据68%的该部分低压市场都是GaN的潜在市场，约有105亿美元。

面对在实现全球环境可持续发展目标的重要意义，以及广阔的市场前景，各类GaN器件正加速涌现。6月18日，TI 推出了适用于 250W 电机驱动器应用的先进 650V 三相 GaN IPM——DRV7308 GaN IPM。

 GaN IPM带来系统效率提升

“得益于第三代半导体氮化镓技术，DRV7308 可以提高系统的功率密度，而且效率出色，最重要是它不再需要外部散热体。与基于 IGBT 和 MOSFET 的解决方案相比，电机驱动逆变器的印刷电路板尺寸，可以缩减高达 55%。”TI销售与市场应用经理 Charlie Munoz如是说。

 TI销售与市场应用经理 Charlie Munoz

DRV7308集成了六支氮化镓FET。对比氮化镓智能功率模块与传统的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）智能功率模块在效率方面的对比，揭示了使用氮化镓技术的显著优势。

在典型的250W系统效率测试中，氮化镓功率模块（标示为红线）与IGBT模块（标示为绿线）在不同负载条件下的效率对比。测试结果表明，使用氮化镓智能功率模块的电机逆变器在各种负载条件下的效率提高了1.9%-2.6%。这种效率的提升在能源密集型应用中尤为重要。

值得注意的是，尽管IGBT模块在不添加额外散热器的情况下能够达到最高97.2%的工作效率，但它们通常需要额外的散热设施来达到这一效率。相比之下，TI的氮化镓模块不仅能实现更高的效率，还无需额外的散热器，这一点在成本和空间节约方面具有明显优势。

为了进一步阐释效率提升在实际应用重的意义，对标SEER（季节能效比）评级标准，新的暖风空调系统要求的SEER评级为14，这意味着系统必须达到至少85%的效率。通过采用TI的DRV7308模块，该模块在最佳条件下能够达到99%的效率，系统可以轻松满足这一要求，而无需增加电机成本。事实上，在不牺牲效率的情况下，还可以选择使用成本更低的电机，因为电机成本在整个系统中占比较高。

实测发现，与基于 IGBT 和 MOSFET 的解决方案相比，氮化镓FET的损耗减减少了50%，以此有效改善了热性。通过优化导通和开关损耗，TI 的氮化镓智能功率模块，实现了 99%的逆变器效率，远胜于现有的 IGBT 和 MOSFET 解决方案。

总体而言，TI的氮化镓智能功率模块不仅提升了电机逆变器的效率，还通过减少对附加散热设备的需求，为客户带来了成本上的优势，这使得氮化镓技术在现代能效要求日益严格的市场环境中显得尤为重要。

功率密度、解决方案尺寸、可靠性

TI系统工程师 张宏亮 (Hely Zhang)介绍说，除了系统效率，基于氮化镓的DRV7308的优势还体现在功率密度、解决方案尺寸，以及可靠性方面。

 TI系统工程师 张宏亮 (Hely Zhang)

具体而言，由于IGBT 的智能功率模块需要外部散热器来散热，且散热器的体积比较大，需要占用较多的板面和空间。DRV7308可协助工程师开发更小巧的电机驱动器系统。

全新 IPM 基于 GaN 技术，具有高功率密度，并采用 12mm x 12mm 封装，使之成为面向 150W 至 250W 电机驱动器应用的业界超小型 IPM。在出色效率的加持下，DRV7308 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%。

此外，对电流检测放大器、保护功能和逆变器级的集成进一步缩减了解决方案的尺寸和成本。

在可靠性方面。由于电机和驱动器的使用寿命取决于它的工作温度，而 DRV7308 的高效率和高集成度，可减少电机和驱动器的发热，进而提高系统的整体可靠性，并延长使用寿命，而每个氮化镓 FET 的短路保护功能及电机驱动器的二级电流保护功能，同时也可以提高系统的可靠性。

DRV7308是一个在效率、尺寸和可靠性方面都有出色的表现，这些特性使其成为多种应用领域中的理想选择，尤其是在需要高效率、高功率输出以及高可靠性的高压家用电器及暖通空调中。

TI电机驱动器业务部门经理 Nicole Navinsky 表示：“高压家用电器及 HVAC 系统的设计人员正努力达成更高的能效标准，以期支持全球环境可持续发展目标。同时，他们也致力于满足消费者对可靠、静音及小巧系统的需求。借助TI全新的 GaN IPM，工程师能够设计出满足所有这些期望并以出色效率运行的电机驱动器系统。

写在最后

据了解，这款150W～250W 电机驱动器应用的IPM是TI 的第一款氮化镓智能功率模块，后期TI将开发更多的氮化镓功率模块来适配更大的或更小的功率。

值得注意的是，在今年7月的慕尼黑上海电子展上，RV7308 GaN IPM也将亮相，TI技术专家将在活动同期论坛带来 “TI推出先进的氮化镓智能功率模块，助力打造更小更高效的马达驱动器”的主题演讲，深入解读TI如何助力第三代半导体技术与产业链的创新与发展。

目前，DRV7308 三相、650V 集成式 GaN IPM 已经支持预量产。