氮化鎵(GaN)在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)為電源轉(zhuǎn)換器帶來了系統(tǒng)級(jí)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(jī)控制驅(qū)動(dòng)。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹基于GaN的IPM，目標(biāo)應(yīng)用包括家用電器和供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。

寬禁帶半導(dǎo)體提高電器和HVAC系統(tǒng)的效率標(biāo)準(zhǔn)

家用電器占全球能源消耗的相當(dāng)大一部分。早在2024年4月，美國(guó)就引入了更嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)，適用于洗衣機(jī)、干衣機(jī)和熱水器等常見電器，預(yù)計(jì)將在30年內(nèi)為美國(guó)家庭和企業(yè)節(jié)省近1萬億美元。這些變化預(yù)計(jì)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(biāo)，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(shí)現(xiàn)的。熱泵預(yù)計(jì)將取代燃?xì)忮仩t，成為實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)的關(guān)鍵部分。

在驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或電機(jī)的系統(tǒng)方面，節(jié)能主要來自于改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電力轉(zhuǎn)換以及使用損耗更低的電機(jī)。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(shí)仍能滿足新的、更嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)。

碳化硅(SiC)和GaN功率半導(dǎo)體在電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化了冷卻需求。這些器件中實(shí)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(jī)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(dòng)器和控制電路，以及傳感和保護(hù)功能，以確保穩(wěn)健可靠的運(yùn)行。目前市場(chǎng)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(jī)和干衣機(jī)或吹風(fēng)機(jī)等產(chǎn)品需要200W到5kW不等的功率，而工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(diǎn)包括：

目標(biāo)應(yīng)用為150–250W電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

使用650V GaN開關(guān)器件，配置為3個(gè)半橋，設(shè)計(jì)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(yù)驅(qū)動(dòng)中具有可調(diào)的上升率控制，實(shí)現(xiàn)相節(jié)點(diǎn)處的dv/dt上升率低至5V/ns。

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

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

IPM封裝在一個(gè)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(jiǎn)化框圖。

性能和比較

將GaN IPM與額定5A峰值電流的IGBT IPM進(jìn)行比較。負(fù)載是使用2米電纜的風(fēng)扇電機(jī)，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(gè)IPM的效率比較。GaN IPM的功率損耗顯著降低，導(dǎo)致效率提高約2%。

GaN IPM在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的其他一些優(yōu)勢(shì)包括：

傳統(tǒng)IPM的死區(qū)時(shí)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(shí)也減少了可用電壓到電機(jī)。GaN IPM的低死區(qū)時(shí)間和傳播延遲有助于擴(kuò)大PWM占空比范圍，從而允許設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用中創(chuàng)建超低和快速的速度設(shè)置，并根據(jù)負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的速度控制。

基于硅IGBT和MOSFET的IPM較高的死區(qū)時(shí)間導(dǎo)致電機(jī)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(shí)間的影響更大，因此GaN的更低THD在低功率傳輸時(shí)的比例優(yōu)勢(shì)更大。

低延遲還允許更準(zhǔn)確的平均電流傳感，從而提高無傳感器控制驅(qū)動(dòng)器中的位置感應(yīng)，改善電機(jī)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(dòng)，從而降低電機(jī)的可聞噪聲。電容器要求可以減少以滿足傳導(dǎo)EMI規(guī)范。由于GaN的低寄生電感和零反向恢復(fù)，干凈的開關(guān)實(shí)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(dòng)開關(guān)損耗之間的權(quán)衡。

GaN IPM已經(jīng)證明在功率水平達(dá)到250W時(shí)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(yīng)用中顯著節(jié)省了尺寸。

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