德州仪器集成式三相GaN IPM特点大揭秘

在“双碳”的背景下，几乎所有的产业结构都在面临深刻的低碳转型挑战。小到氮化镓充电器，大到含有氮化镓的白色家电、电动汽车，甚至是在数据中心、通信电源、光伏逆变器、电力输送等应用中，氮化镓正成为提高功率密度和电源效率的关键技术。在各大厂商积极布局并推进氮化镓器件在工业端的应用时，TI通过端到端的技术支持，和为满足高压驱动系统需求而设计的专业器件系列，来帮助设计人员在高压电机应用中实现高效性和高可靠性。

我们知道，高压应用的一个主要关注点是效率，而氮化镓可以助力器件同时实现高压、高效、高可靠性、小体积等多重特点。那么如何在不增加系统成本的前提下设计更小巧、更高效、更经济实用的电机驱动器呢？日前，TI的第一款氮化镓智能功率模块DRV7308——适用于250W电机驱动器应用的先进650V智能电源模块(IPM)上市。该IPM集成了德州仪器的氮化镓技术，助力家电和暖通空调系统逆变器达到99%以上效率，且无需外部散热器。同时得益于<200ns的业界超低死区时间和低传播延迟，DRV7308可减少听觉噪音和系统振动。借助GaN技术实现了更高的功率密度，使电机逆变器印刷电路板的尺寸可缩减高达55%。

德州仪器系统工程师张宏亮先生表示：“从高压功率变换到高压检测，高压隔离，以及高压实时控制，TI提供的模拟和嵌入式器件能够形成合力，简化高压系统的设定，确保在极其恶劣的操作条件下，实行出色的效率、准确性、隔离和控制。”

在效率方面，DRV7308集成了六只氮化镓的先进智能功率模块IPM，通过采用氮化镓技术，工程师可以实现99%以上的驱动器效率，并且改善了电机驱动系统的发热，与现有的IGBT和MOSFET的解决方案相比，功率损耗减少50%以上，提高系统可靠性并延长使用寿命。此外氮化镓器件实现了业内较低的死区时间和较低的传播延迟，它也支持更高的脉宽调整开关频率，从而减少听觉噪音和系统振动。与现有解决方案相比，集成式GaN技术提高了功率密度、缩减了解决方案尺寸并降低了成本，可适用于150W至250W电机驱动应用的业界超小IPM。同时集成电流检测放大器、保护功能和逆变器级，最重要是它不再需要外部散热体。与基于IGBT和MOSFET的解决方案相比，可以将电机驱动逆变器的印刷电路板尺寸缩减高达 55%。

下图展示TI的氮化镓智能功率模块和传统的IGBT智能功率模块之间的效率比较。在250W的系统效率测试中，可以看到在不同的负载下，使用氮化镓智能功率模块的电机逆变器效率提高了1.9%-2.6%，且不需要额外的散热器。

为何此效率对于满足更高的标准非常重要，德州仪器销售与市场应用经理Charlie Munoz举了一个例子来说明。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%，那么现在就可以通过DRV7308的99%高效率来实现系统85%整体效率的要求，且不需要增加电机的成本。或者效率不变的情况下使用较低成本的电机，因为在这些应用中，电机的成本在整个系统成本中的占比较高。

在体积尺寸方面，IGBT 的智能功率模块需要外部散热器来散热，而且散热器的体积比较大，需要占用较多的板面和空间，而TI的氮化镓智能功率模块，采用业内较小的封装尺寸12mmx12mm，并且拥有更高的效率，因此可以实现在无散热器的情况下输出250W功率。与250W IGBT解决方案相比，紧凑的尺寸，以及带有电流检测放大器和保护功能的先进的氮化镓智能功率模块，使得电路板的尺寸缩减高达 55%。

在可靠性方面，电机和驱动器的使用寿命取决于它的工作温度，而DRV7308的高效率和高集成度，可以减少电机和驱动器的发热，进而提高系统的整体可靠性，并延长使用寿命，而每个氮化镓FET的短路保护功能及电机驱动器的二级电流保护功能，也可以提高系统的可靠性。

德州仪器销售与市场应用经理Charlie Munoz表示：“采用12mmx12mm、60引脚四扁平无引线(QFN)封装的DRV7308是德州仪器氮化镓智能功率模块中的第一款，目前DRV7308已经发布，并且开始小批量生产，可提供评估模块，设计工程师可通过 TI.com 购买。TI也正在开发其他的产品，未来会有更多的产品满足更高和更低功率应用的需求。”

如今氮化镓应用范围日趋广泛，借助氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助我们实现光伏、风电，直流特高压输电，新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源等领域的电能高效转换，助力碳达峰，碳中和的目标实现。借助全新的DRV7308氮化镓智能功率模块，TI再一次为全球各行业带来了更高效、更可靠的能源管理解决方案。未来TI将继续致力于推动可持续的半导体技术创新，通过减少能源消耗，发展绿色能源，支持循环经济发展，在生产和非生产环节深度践行可持续发展。