現在、主要な家電製品の市場はエネルギー効率と切り離せない関係にあり、Energy Star 認定など、関連するブランディングと強く結びついています。消費者は、このカテゴリの最終製品である冷蔵庫やエアコン (HVAC) システムに対して、高い水準の電力効率と信頼性を求めています。この記事では、窒化ガリウム (GaN) とブラシレス DC (BLDC) モーター システムを組み合わせて消費者の生活を向上させる方法について検討します。

図 1 に、エネルギー効率が重要な役割を果たす代表的な家電製品を示します。

冷蔵庫のコンプレッサや HVAC 炉のブロワは、家庭の電力使用に大きく影響する家電製品の代表例です。この種の最終機器では、冷暖房アプリケーションにおける空気や液体の流れを制御するために、モーター システムを使用します。このようなシステムを設計する際には、モーターで電力を機械的な動きに変換する方法を最適化することが不可欠です。モーター システムの設計者は多くの場合、特定の定格電圧や定格速度を実現するために特性を調整して、モーター アセンブリの物理的設計に変更を加えます。また、システムの電気的設計には、適切なプリント基板 (PCB) レイアウトや、モーターの整流と電力供給用の適切な信号を生成できる電子部品も必要です。

表 1 に、家電モーター システムの要件とその重要性を示します。

目的のタスクに適した部品があれば、開発プロセスが簡素化されます。たとえば、テキサス・インスツルメンツでは、特殊な要件を満たすために、3 層メタル E モード GaN テクノロジーを新しいモーター ドライバ製品に統合しました。650V をサポートし、3 相 BLDC モーターの動作に必要なほぼすべての機能を提供できる DRV7308 は、十分に小型化されたパッケージに封止されているため、システムの設計を非常に小さなサイズにすることができます。250W 未満の電力で動作させる場合は、サーマル ヒートシンクが不要になることもあります。詳細については、『3 相統合型 GaN テクノロジーによりモーター ドライブ性能を最大化する方法』ホワイト ペーパーをダウンロードしてください。

DRV7308 は、HVAC コンプレッサなどの 250W の家電アプリケーションを対象としています。図 2 は、テキサス・インスツルメンツの GaN インテリジェント パワー モジュール (IPM) を使用したこのシステムのブロック図です。このようなライン電源システムは通常、AC/DC 段、EMI フィルタ、モーター インバータ段、モーターを備えています。

図 2 に示されているような高電圧システムには、PCB、ヒートシンクとそのアセンブリ、受動部品、モーターなど、コストのかかる主要部品が含まれています。テキサス・インスツルメンツの GaN IPM テクノロジーは、これらの主要部品すべてでコスト上の利点をもたらし、最終的にはシステムの寿命全体にわたってエネルギー コストを削減できます。

現在、250W HVAC コンプレッサのモーター インバータ段を設計する際には、2 つのオプションがあります。つまり、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) または絶縁型ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) を使用するか、ディスクリート実装を選択するかです。どちらのソリューションでも、モーター インバータ段の最大効率は 96% か 97% であり、標準的な電力損失は 6W～7.5W です。このように効率が低い水準であるため、ヒートシンクなどの冷却部品、放熱を目的とする大型の PCB、特定のシステム効率を実現する高価なモーターが必要になります。DRV7308 GaN IPM は、より小型のパッケージで電力損失を 50% 以上低減でき、99% を上回るモーター インバータ効率を実現できます (図 3 を参照)。

DRV7308 を採用すると、GaN 固有の技術的利点 (逆回復損失がない、出力容量が小さい、テール電流がない、スルーレート能力が高い、ドレイン - ソース間オン抵抗が 205mΩ と低い) により、電力損失を半減できます。電力損失が 50% 以上削減されるので、電力損失によって発生する熱を放散するためのヒートシンクも不要になります。

DRV7308 は 12mm x 12mm のパッケージで供給され、競合する 250W IPM と比較して 55% 小型化されています。比較については、図 4 を参照してください。最終的に、GaN IPM のこのような利点と小型パッケージ サイズにより、PCB のサイズを 65% 以上縮小し、PCB と冷却部品のコストを削減できます。表 2 に、DRV7308 を 250W のシステムで使用した場合の節約効果を示します。

250W のシステムのコストを $2 以上削減

このようなアプリケーションでのモーターの設計は、システム コスト全体に大きな役割を果たすことがあります。HVAC システムに関する 2023 年の季節エネルギー効率比 (SEER) である 14 という値を満たすには、85% の効率 (5% 上昇) が必要になります。DRV7308 では 99% を超える効率を得られるため、モーター コストの増加なしに 85% の効率要件を上回ることができます。

HVAC モーターの製造では、モーター効率が 1% 向上するごとに、巻線とより太い銅線によって推定 $0.35 の節約が可能になります。したがって、DRV7308 を使用した場合、モーター銅線のコストを最大 $0.63 節約できると推計されます。表 3 を参照してください。

1. システム内の他部品の効率を 98% と仮定しています。

まとめ

効率と信頼性が向上した新しい家電システムや HVAC システムが市場に投入され続けています。DRV7308 は、このような製品に対するモーター インバータの長年にわたる課題を解決し、限界を押し広げて、電力密度と信頼性の向上や可聴ノイズの低減を一層進めることができます。

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