氮化鎵(GaN)在電力轉(zhuǎn)換應用中的優(yōu)勢為電源轉(zhuǎn)換器帶來了系統(tǒng)級的好處。智能功率模塊(IPM)通常用于提供緊湊、高效且安全的電機控制驅(qū)動。在本文中，我們將重點介紹基于GaN的IPM，目標應用包括家用電器和供暖、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。

寬禁帶半導體提高電器和HVAC系統(tǒng)的效率標準

家用電器占全球能源消耗的相當大一部分。早在2024年4月，美國就引入了更嚴格的能效標準，適用于洗衣機、干衣機和熱水器等常見電器，預計將在30年內(nèi)為美國家庭和企業(yè)節(jié)省近1萬億美元。這些變化預計還將顯著減少溫室氣體排放。

同樣在歐盟，2023年修訂了能效目標，確保到2030年能源消耗減少11.7%，這在很大程度上是通過提高家用電器的效率來實現(xiàn)的。熱泵預計將取代燃氣鍋爐，成為實現(xiàn)碳排放目標的關(guān)鍵部分。

在驅(qū)動風扇或電機的系統(tǒng)方面，節(jié)能主要來自于改進驅(qū)動電機所需的電力轉(zhuǎn)換以及使用損耗更低的電機。前者通常更容易且更具成本效益，能夠集成到現(xiàn)有解決方案中，同時仍能滿足新的、更嚴格的效率標準。

碳化硅(SiC)和GaN功率半導體在電機驅(qū)動電力轉(zhuǎn)換方面相較于傳統(tǒng)硅基解決方案提供了顯著的效率提升。減少的損耗轉(zhuǎn)化為更低的熱量生成，簡化了冷卻需求。這些器件中實現(xiàn)的更高開關(guān)頻率可以通過使用更小的無源元件在系統(tǒng)范圍內(nèi)節(jié)省尺寸和成本。

業(yè)界首款基于GaN的IPM

IPM主要與電機控制相關(guān)，是集成的電力傳輸解決方案，包括功率器件、柵極驅(qū)動器和控制電路，以及傳感和保護功能，以確保穩(wěn)健可靠的運行。目前市場上的大多數(shù)IPM使用基于硅的器件，如MOSFET和IGBT。

它們的操作范圍可以有所不同，小型電器如廚房電器通常需要低于200W的功率，主要家用電器如洗衣機和干衣機或吹風機等產(chǎn)品需要200W到5kW不等的功率，而工業(yè)驅(qū)動則從約750W起步。

基于SiC器件的IPM已在后者類別中推出，但迄今為止市場上尚未有基于GaN的IPM。德州儀器(TI)在今年的PCIM貿(mào)易展上發(fā)布了業(yè)界首款基于GaN的IPM。

這一IPM的重要特點包括：

目標應用為150–250W電機驅(qū)動。

使用650V GaN開關(guān)器件，配置為3個半橋，設計工作電壓為450V，關(guān)斷電壓額定值為650V。

開關(guān)頻率范圍廣，從非常低的值到60kHz。

在預驅(qū)動中具有可調(diào)的上升率控制，實現(xiàn)相節(jié)點處的dv/dt上升率低至5V/ns。

DRV7308包含了多種傳感和保護功能，如在過流事件期間集成的漏源電壓保護、用于逐周期電流限制的集成過流比較器、欠壓和短路保護、電機電流傳感的運算放大器和溫度傳感器。快速的集成過流保護在幾百納秒的時間內(nèi)觸發(fā)，從而在過載條件下保護逆變器和電機。

自適應死區(qū)時間邏輯使得死區(qū)時間小于200ns，傳播時間延遲也低于200ns。

IPM封裝在一個小巧的12mm x 12mm、60引腳的無引線扁平封裝(QFN)中。

圖1展示了IPM的簡化框圖。

性能和比較

將GaN IPM與額定5A峰值電流的IGBT IPM進行比較。負載是使用2米電纜的風扇電機，在25°C環(huán)境溫度下提供0.85A的有效值繞組電流和250W的逆變器輸出。

使用300VDC電源，器件在20kHz下開關(guān)。GaN的上升率配置為5V/ns。圖2顯示了兩個IPM的效率比較。GaN IPM的功率損耗顯著降低，導致效率提高約2%。

GaN IPM在電機驅(qū)動應用中的其他一些優(yōu)勢包括：

傳統(tǒng)IPM的死區(qū)時間超過1μs，傳播延遲為500ns，限制了開關(guān)PWM占空比的操作范圍，同時也減少了可用電壓到電機。GaN IPM的低死區(qū)時間和傳播延遲有助于擴大PWM占空比范圍，從而允許設計人員在應用中創(chuàng)建超低和快速的速度設置，并根據(jù)負載變化實現(xiàn)更精細的速度控制。

基于硅IGBT和MOSFET的IPM較高的死區(qū)時間導致電機電流失真，從而增加總諧波失真(THD)。由于在低占空比操作期間死區(qū)時間的影響更大，因此GaN的更低THD在低功率傳輸時的比例優(yōu)勢更大。

低延遲還允許更準確的平均電流傳感，從而提高無傳感器控制驅(qū)動器中的位置感應，改善電機效率。

低開關(guān)損耗使得GaN IPM可以使用更高的開關(guān)頻率。這可以減少繞組電流波動，從而降低電機的可聞噪聲。電容器要求可以減少以滿足傳導EMI規(guī)范。由于GaN的低寄生電感和零反向恢復，干凈的開關(guān)實現(xiàn)也降低了EMI。

可調(diào)的上升率可以優(yōu)化繞組損耗與主動開關(guān)損耗之間的權(quán)衡。

GaN IPM已經(jīng)證明在功率水平達到250W時不需要任何外部散熱器。GaN IPM的高度集成以及無需外部散熱器的組合，使得與基于IGBT的IPM相比，在250W應用中顯著節(jié)省了尺寸。

圖3展示了這一點。PCB尺寸可以減少高達55%，允許逆變器更靠近電機，從而減少布線并進一步降低損耗和EMI以及系統(tǒng)成本。