GaN智能功率模块(IPM)实现高效电机驱动

氮化镓(GaN)在电力转换应用中的优势为电源转换器带来了系统级的好处。智能功率模块(IPM)通常用于提供紧凑、高效且安全的电机控制驱动。在本文中，我们将重点介绍基于GaN的IPM，目标应用包括家用电器和供暖、通风和空调(HVAC)系统。

宽禁带半导体提高电器和HVAC系统的效率标准

家用电器占全球能源消耗的相当大一部分。早在2024年4月，美国就引入了更严格的能效标准，适用于洗衣机、干衣机和热水器等常见电器，预计将在30年内为美国家庭和企业节省近1万亿美元。这些变化预计还将显著减少温室气体排放。

同样在欧盟，2023年修订了能效目标，确保到2030年能源消耗减少11.7%，这在很大程度上是通过提高家用电器的效率来实现的。热泵预计将取代燃气锅炉，成为实现碳排放目标的关键部分。

在驱动风扇或电机的系统方面，节能主要来自于改进驱动电机所需的电力转换以及使用损耗更低的电机。前者通常更容易且更具成本效益，能够集成到现有解决方案中，同时仍能满足新的、更严格的效率标准。

碳化硅(SiC)和GaN功率半导体在电机驱动电力转换方面相较于传统硅基解决方案提供了显著的效率提升。减少的损耗转化为更低的热量生成，简化了冷却需求。这些器件中实现的更高开关频率可以通过使用更小的无源元件在系统范围内节省尺寸和成本。

业界首款基于GaN的IPM

IPM主要与电机控制相关，是集成的电力传输解决方案，包括功率器件、栅极驱动器和控制电路，以及传感和保护功能，以确保稳健可靠的运行。目前市场上的大多数IPM使用基于硅的器件，如MOSFET和IGBT。

它们的操作范围可以有所不同，小型电器如厨房电器通常需要低于200W的功率，主要家用电器如洗衣机和干衣机或吹风机等产品需要200W到5kW不等的功率，而工业驱动则从约750W起步。

基于SiC器件的IPM已在后者类别中推出，但迄今为止市场上尚未有基于GaN的IPM。德州仪器(TI)在今年的PCIM贸易展上发布了业界首款基于GaN的IPM。

图1：GaN IPM 的基本框图

这一IPM的重要特点包括：

目标应用为150–250W电机驱动。

使用650V GaN开关器件，配置为3个半桥，设计工作电压为450V，关断电压额定值为650V。

开关频率范围广，从非常低的值到60kHz。

在预驱动中具有可调的上升率控制，实现相节点处的dv/dt上升率低至5V/ns。

DRV7308包含了多种传感和保护功能，如在过流事件期间集成的漏源电压保护、用于逐周期电流限制的集成过流比较器、欠压和短路保护、电机电流传感的运算放大器和温度传感器。快速的集成过流保护在几百纳秒的时间内触发，从而在过载条件下保护逆变器和电机。

自适应死区时间逻辑使得死区时间小于200ns，传播时间延迟也低于200ns。

IPM封装在一个小巧的12mm x 12mm、60引脚的无引线扁平封装(QFN)中。

图1展示了IPM的简化框图。

性能和比较

将GaN IPM与额定5A峰值电流的IGBT IPM进行比较。负载是使用2米电缆的风扇电机，在25°C环境温度下提供0.85A的有效值绕组电流和250W的逆变器输出。

使用300VDC电源，器件在20kHz下开关。GaN的上升率配置为5V/ns。图2显示了两个IPM的效率比较。GaN IPM的功率损耗显著降低，导致效率提高约2%。

图2：GaN IPM 与驱动风扇电机的 IGBT IPM 的效率比较

GaN IPM在电机驱动应用中的其他一些优势包括：

传统IPM的死区时间超过1µs，传播延迟为500ns，限制了开关PWM占空比的操作范围，同时也减少了可用电压到电机。GaN IPM的低死区时间和传播延迟有助于扩大PWM占空比范围，从而允许设计人员在应用中创建超低和快速的速度设置，并根据负载变化实现更精细的速度控制。

基于硅IGBT和MOSFET的IPM较高的死区时间导致电机电流失真，从而增加总谐波失真(THD)。由于在低占空比操作期间死区时间的影响更大，因此GaN的更低THD在低功率传输时的比例优势更大。

低延迟还允许更准确的平均电流传感，从而提高无传感器控制驱动器中的位置感应，改善电机效率。

低开关损耗使得GaN IPM可以使用更高的开关频率。这可以减少绕组电流波动，从而降低电机的可闻噪声。电容器要求可以减少以满足传导EMI规范。由于GaN的低寄生电感和零反向恢复，干净的开关实现也降低了EMI。

可调的上升率可以优化绕组损耗与主动开关损耗之间的权衡。

GaN IPM已经证明在功率水平达到250W时不需要任何外部散热器。GaN IPM的高度集成以及无需外部散热器的组合，使得与基于IGBT的IPM相比，在250W应用中显著节省了尺寸。

图3：IPM 的尺寸比较

图3展示了这一点。PCB尺寸可以减少高达55%，允许逆变器更靠近电机，从而减少布线并进一步降低损耗和EMI以及系统成本。