利用高效、高压GaN IPM解决工程难题,变革电机设计

日期:2024-07-03


德州仪器(TI)日前举办DRV7308氮化镓(GaN)线上新品发布会,介绍了新推出的一款全新的氮化镓产品——适用于250W三相电机驱动器应用的先进650V三相GaN IPM(智能电源模块)。德州仪器销售与市场应用经理Charlie Munoz和德州仪器系统工程师Hely Zhang分享了相关技术和产品特点及优势,并与媒体交流。
Charlie Munoz表示,新款GaN IPM的先进之处在于,它是一款650V、205mΩ IPM,集成了德州仪器的GaN技术,能够实现家电和暖通空调(HVAC)系统逆变器99%以上效率。另外,得益于IPM的高集成度和高效率,还能省去外部散热器,工程师可以将解决方案尺寸缩减多达55%,最终打造出尺寸更小、能效更高的高压电机。

如何释放高压技术潜能?
解决关键的高压设计难题需要从以下几个方面入手:高压功率转换要尽可能减少功率损耗并提升高压系统的效率;利用高压检测在恶劣的环境中精确测量温度、电流和电压;通过稳健可靠的隔离栅设计实现高压系统的安全隔离;利用高压实时控制实现宽带隙功率器件和IGBT的低延迟实时控制。
Charlie Munoz指出,在设计大型高压家用电器和HVAC系统时,工程师们通常面临许多设计和性能方面的挑战,包括全球范围内针对家电和HVAC系统日益严格的能效标准(如 SEER、MEPS、Energy Star和Top Runner标准),以支持全球环境可持续发展目标。
同时,他们还需要在更小的解决方案尺寸内实现更高的效率,以更低的成本提供更优化的性能,以满足消费者对可靠性、静音及小巧系统的需求。利用德州仪器全新的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。
上述挑战的关键在于,在不增加系统成本的前提下设计出更小巧、更高效、更经济实用的电机驱动器。

两个百分比是怎么实现的?
GaN晶体管的开关速度比硅MOSFET快得多,具有实现较低开关损耗的潜力。德州仪器的GaN功率级可用于广泛的应用,从电信、服务器、电机驱动器和笔记本电脑适配器到电动汽车的车载充电器。


集成式三相 GaN IPM

Charlie Munoz介绍说,德州仪器的全新GaN IPM采用GaN FET,集成了栅极驱动器和GaN功率器件,成为一款最高效的GaN解决方案。它解决了工程师在设计大型家用电器及加热、通风和HVAC系统时通常面临的许多设计和性能折衷问题。
在效率方面,与现有解决方案相比,DRV7308利用GaN技术实现了超过99%的逆变器效率,同时提升了热性能,功耗可降低50%,从而帮助工程师满足更加严苛的上述标准。他说,电机驱动器的寿命在很大程度上取决于它的发热,GaN IPM效率比较高,这样发热就比较少,可以延长电机驱动器的寿命。
此外,DRV7308实现了业内较低的死区时间和低传播延迟(均小于200ns),通过减少电流谐波和更高精度的电流检测来提高声学性能,实现了更高的脉宽调制(PWM)开关频率,从而减少听觉噪声和系统振动;更高的电源效率、零反向恢复、精确的压摆率控制以及短路和过流保护,可提高系统可靠性并延长电机驱动的使用寿命。


TI GaN IPM与IGBT效率性能的比较

在开关损耗方面,与MOSFET和IGBT相比,GaN FET的损耗要低得多,因为GaN通过零反向恢复,能够以非常高的电流转换速率(di/dt)和电压转换速率(dv/dt)开关GaN FET;MOSFET的体二极管则受高零反向恢复影响,限制了开关di/dt和dv/dt,导致额外的损耗和相节点电压振铃;而IGBT即使增加了优化的反并联二极管,也可能会带来与反向恢复相关的挑战。
所以,DRV7308的更高的功率效率和集成特性相得益彰,能够实现更小、更节能的高压电机;同时,通过提升热性能,减少电机的发热,比基于IGBT和MOSFET的解决方案减少了50%以上的功率损耗,进而提高系统可靠性并延长使用寿命。
Charlie Munoz强调说,IPM通常是由IGBT或MOSFET实现的,但是TI是集成氮化镓的新型IPM,实际上是用六只氮化镓和驱动及保护做成的,因此具备了上述优势。


集成式三相GaN IPM工作原理

在顺应家电小型化的趋势方面,DRV7308集成了电流检测放大器、保护功能和逆变器级。与现有解决方案相比,强大的集成和高功率密度缩减了解决方案尺寸和成本,有助于工程师开发更小巧的电机驱动器系统。全新IPM基于GaN技术,具有更高功率密度,采用12mm×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。
据介绍,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)的尺寸缩减了高达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。


DRV7308显著减小了PCB面积

Hely Zhang表示,在7月初即将举办的慕尼黑上海电子展上,德州仪器将展出这款DRV7308 GaN IPM。德州仪器的技术专家将在活动同期论坛分享“德州仪器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,深入解读德州仪器如何助力第三代半导体技术与产业链的创新与发展。另外,这款DRV7308三相、650V集成式GaN IPM已支持预量产,在TI.com已现货发售。
另外,德州仪器专门为全面评估DRV7308电机驱动器设计了一款评估模块DRV7308EVM。它是一个250W、450V集成式三路GaN FET半桥栅极驱动器,适用于电机驱动器应用。DRV7308EVM有三个650V E-mode GaN FET半桥,可以直接驱动三相无刷直流电机(BLDC)。


DRV7308EVM评估模块

该套件需要使用C2000™ LAUNCHXL-F2800137 LaunchPad™ 来操作和监控DRV7308驱动器。LAUNCHXL-F2800137模块提供PWM、故障响应和进一步的器件控制。
德州仪器还为GaN IPM DRV7308准备了一款250W电机逆变器参考设计TIDA-010273。它是一款适用于大型电器或类似应用的250W电机驱动器,展示了基于GaN IPM DRV7308的高效率且不带散热器的电机逆变器,还演示了采用UCC28911的低待机功耗设计。
该参考设计通过FAST™ 软件编码器或eSMO可实现三相PMSM无传感器FOC控制,其模块化设计支持同一主板上的C2000™ MCU和MSPM0系列微控制器子板。所提供的硬件和软件已经过测试,可随时使用,有助于加快开发,缩短产品上市时间。

 


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