TI推出250W氮化镓IPM，比IGBT更小巧更高效
随着快充市场的成功，如今的氮化镓（GaN）已经不满足于固守在单一领域，而是向MOSFET占据的其他广泛市场发起挑战，电机驱动正是其中之一。
日前，德州仪器（TI）推出了业界先进的适用于250W电机驱动器应用的650V三相氮化镓 IPM DRV7308，应用领域包括了冰箱、空调、HVAC等白色家电的电机中。
TI系统工程师张宏亮表示：“当前工程师所面临的难题是在如何不增加系统成本的前提下，设计出更高效、更节能、更小型化的电机驱动器。”
TI销售与市场应用经理 Charlie Munoz详细介绍了DRV7308的各种优势：“通过采用氮化镓技术，工程师可以实现 99%的驱动器效率，并改善系统散热，同时尺寸也可缩小55%。此外氮化镓器件实现了较低的死区时间和传播延迟，支持更高的PWM开关频率，从而减少听觉噪音和系统振动。”
早在上个世纪八十年代，IPM模块就开始了商业化进程。因其高集成度、高可靠性、节约空间以及更好的热管理，广泛引用于家用电器和工业自动化领域。
随着氮化镓的SWaP-C指标均超过IGBT和MOSFET，且逐步被业界所认可。正如当年MOSFET替代双极晶体管一样，TI的氮化镓IPM正准备在电机市场掀起一波替代潮流。
高达99%的转换效率
当今的主要家用电器市场与能源效率和相关品牌（如能源之星认证）密切相关。Charlie举例道，对于暖风空调系统，新的 SEER 评级为 14，因此要求系统的效率达到85%，而以前的标准要求系统的效率仅为 80%，因此就需要电机驱动的效率不断提升。
氮化镓低的导通损耗和开关损耗，从而实现较高的转换效率。
其中氮化镓FET的传导损耗与氮化镓的导通电阻成正比，与MOSFET类似。但是，对于IGBT，传导损耗取决于拐点电压和动态导通电阻，但通常高于氮化镓FET或MOSFET。
至于开关损耗，氮化镓FET的损耗则比MOSFET和IGBT低得多，原因如下：
氮化镓具有零反向恢复特性。借助零反向恢复特性，可以以非常高的电流斜率 (di/dt) 和电压斜率 (dv/dt) 切换氮化镓FET。在MOSFET中，体二极管具有高零反向恢复特性，限制了开关 di/dt 和 dv/dt，并导致额外的损耗和相节点电压振铃。对于IGBT，即使添加优化的反并联二极管，仍然会造成与反向恢复相关的挑战。
在关断时，IGBT会受到少数载流子复合电流（通常称为尾电流）的影响，这会增加关断损耗，氮化镓则没有尾电流。
与IGBT和MOSFET相比，氮化镓的电容更低，从而降低了电容开关损耗。
受控且更快的di/dt和受控dv/dt有助于优化开关期间的电压电流重叠损耗。
Charlie给出的实测对比图显示，TI 的氮化镓智能功率模块，实现了99%的逆变器效率，与基于 IGBT 和 MOSFET 的解决方案相比，可提升 1.9%-2.6%的效率，损耗减少了 50%，从而改善了热性能。
IGBT与氮化镓效率对比
减少噪音、振动以及EMI
死区时间是指关闭一个功率器件和打开另一个功率器件之间的延迟，这对于防止同时导通和潜在短路至关重要。例如，在同步降压转换器中，两个器件同时导通可能导致额外的损耗、更高的工作温度，甚至灾难性的故障。
控制死区时间由控制器插入，可确保正有效死区时间。计算此死区时间是一个复杂的过程，需要考虑传播延迟、栅极电阻值和 FET 开启/关闭时间等因素。由于 氮化镓FET没有体二极管反向恢复且开关时间更快，因此与MOSFET相比，氮化镓FET的死区时间更短，因此使其成为高性能应用的有力选择。
传统的IPM具有超过 1µs 的死区时间和超过 500ns 的传播延迟，限制了最大和最小工作PWM 占空比并降低了工作速度范围。更高的死区时间还会降低电机的可用电压，并增加相同功率输送的电机电流量。
DRV7308提供自适应死区时间，最大死区时间小于 200ns，传播延迟低于 200ns，可帮助设计人员增强工作 PWM 占空比范围，从而扩大速度控制范围，同时还增加了电机的可用电压。例如，在空调系统中设计人员可以在启动时设置最高速度，以便系统更快地冷却或加热，然后，在达到设定温度后，可以根据空调负载变化使用更精细的低速和容量控制。这种更精细、最佳的负载点控制有助于提高系统效率。
IGBT与氮化镓的死区时间对比
另外，由于延迟更低，因此可实现准确的平均电流感应，从而提高控制精度，尤其是对于FOC驱动器而言。在电机驱动系统中，可听噪声的主要来源之一是电流失真引起的扭矩纹波。对于电机，电流失真取决于多种因素，包括 PWM 频率、死区时间和电流感应精度。与基于 IGBT 或 MOSFET 的解决方案相比，DRV7308 支持更高的 PWM 频率。而在更高的开关频率下，可以最大程度地减少电流失真，降低的绕组电流纹波可实现低扭矩纹波，超出可听频率范围，从而制造出更安静的电机以及更小的振动。
EMI通常取决于开关频率、dv/dt、di/dt、开关电压振荡和反射以及开关电流环路面积。DRV7308采用了多种设计技术和PCB布局选项来解决 EMI 和电磁兼容性问题。DRV7308提供广泛的开关频率，从低值到 60kHz，设计人员可以根据系统性能和 EMI 要求选择最佳频率。另外，DRV7308 预驱动器可以控制相位节点开关斜率dv/dt以满足 EMI 要求。而由于具有零反向恢复和低寄生效应，氮化镓 可以提供更好的di/dt开关性能，不会在切换期间在相位节点产生电压过冲和振荡。
将尺寸缩小一半
与基于 IGBT 和 MOSFET 的解决方案相比，DRV7308通过多种方式加成，使电路板的尺寸缩减高达 55%。
谈及原因，Charlie给出了三点解释，首先是其高效率避免了散热片的使用，其次是氮化镓尺寸小于硅，封装也会变得更小，第三则是产品内置了诸多功能，实现了更高集成度。包括运算放大器、三个用于限流的比较器、一个温度传感器和一整套保护功能。
更小的尺寸，也使其更方便集成到靠近电机的位置，或者直接放置于电机外壳内，从而使设计更紧凑。
更低的成本
在成本方面，DRV7308可以降低系统BOM。首先，由于IPM本身效率较高，因此可以选择相对低成本低效率的电机，同样能满足法规对于效率的要求。
另外，由于高集成度，也降低了整体的BOM成本。根据TI测算，整体可以节约2美金左右，如表格所示。
采用氮化镓IPM可节约2美元BOM
TI正在将氮化镓带入更多市场
张宏亮认为，随着全球范围内能效的标准变得越来越严格，家电和暖风空调系统的设计人员正努力满足这些标准，以支持全球环境的可持续发展目标，同时他们也致力于满足消费者对高效、可靠、静音、小巧且经济实惠的系统的需求，氮化镓将会在这一领域大放异彩。
Charlie也表示，600V、250W是TI第一款IPM，这一功率等级具有非常大的应用范围，包括风机、压缩机、机器人电机驱动以及洗碗机等，同时未来TI还将开发更多氮化镓IPM适配不同的功率等级。
就在今天，TI还和台达电子宣布合作推进电动汽车车载充电技术，其中特别指出在第三阶段，两家公司将利用TI在氮化镓技术开发和制造方面超过十年的经验，合作开发下一代汽车电源解决方案。
在今年的早些时候，TI推出了新的中压氮化镓解决方案（额定值 80V-200V）。潜在应用包括：在太阳能微型逆变器、电源优化器中的DC/DC，服务器中的电源单元（PSU）、中间总线转换器（IBC）、电池备份单元，电信电源以及电机驱动场合。
另外，包括通用直流/直流转换、D类音频放大器以及电池测试和化成设备等场景，也可以充分利用氮化镓高开关频率低功率损耗的特性。
随着氮化镓的性能与可靠性被越来越多关注，随着社会对高密度高效率电源的需求与日俱增，相信氮化镓的前景还会进一步拓展。
