TI, 250W 모터 구동 애플리케이션용 650V 3상 GaN IPM 최초 공개

텍사스 인스트루먼트(TI)가 시스템 비용을 늘리지 않으면서도 보다 안정적이고 에너지 효율적인 소형 모터 구동 설계를 해야 하는 HVAC 시스템 설계자를 위한 IPM (intelligent power module) 신제품을 발표했다.   

고효율 고전압 모터를 구동하는 TI의 'DRV7308'은 업계 최초로 150~250W의 모터 구동 애플리케이션을 위한 최대 650V 3상 질화갈륨(GaN) FET 통합 IPM이다. 

DRV7308은 99% 이상의 인버터 효율, 최적화된 음향 성능, 솔루션 크기 감소 및 시스템 비용 절감을 실현한다. 엔지니어는 TI의 GaN IPM을 사용해 주요 가전제품과 난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템을 설계할 때 일반적으로 직면하는 설계 및 성능 저하 문제를 해결할 수 있다. 

찰리 무노즈(Charlie Munoz) TI 모터 드라이브 부문 마케팅 매니저는 “TI는 오늘날 가전제품의 특수한 요구 사항을 충족시키기 위해 새로운 모터 구동 제품에 3층 메탈 e-모드(three-layer-metal e-mode) GaN 기술을 통합했다”며 “650V를 지원하고 3상 BLDC 모터를 작동하는 데 필요한 거의 모든 기능을 지원할 수 있는 DRV7308은 소형 패키지로 제공되므로 시스템을 매우 작은 크기로 설계할 수 있으며 250W 미만의 전력으로 작동하는 경우 방열판이 필요하지 않을 수도 있다”라고 설명했다. 

GaN IPM은 6개의 GaN 전력 트랜지스터(FET)와 게이트 드라이버, 보호 회로 및 제어 로직을 단일 소형 패키지에 결합한 제품이다. 이러한 IPM은 기존의 실리콘(Si) 소자 대신 GaN 전력 반도체 소자를 사용한다. GaN 트랜지스터는 Si보다 높은 항복 전압, 빠른 스위칭 속도, 낮은 온저항 등 우수한 특성을 가지고 있다. 따라서 전기 모터를 제어하는 데 사용할 때 특히 효율적이다.
 
TI의 DRV7308은 엔지니어가 가전제품 및 HVAC 시스템에 대한 SEER, MEPS, 에너지스타, 톱러너 등의 표준을 충족할 수 있도록 지원하고 99% 이상의 효율을 달성하며 열 성능을 개선할 수 있도록 GaN 기술을 활용한다. TI 따르면, 이 기술은 Si 기반의 IGBT나 MOSFET 솔루션
제품 대비 전력 손실을 최대 50% 가량 줄일 수 있다.

예컨대 2023년 HVAC 시스템의 계절별 에너지 효율 등급(SEER) 14는 5% 상승한 85%의 효율을 요구한다. DRV7308의 99% 이상의 효율은 모터 비용 증가 없이 85% 효율 요건을 초과한다. 

찰리 무노즈 마케팅 매니저는 "HVAC 모터 제조에서 모터 효율이 1% 개선될 때마다 권선 및 두꺼운 구리 게이지 와이어로 인해 약 0.35달러가 절약되므로 DRV7308을 사용하면 모터 구리 절감액이 최대 0.63달러로 추산된다"라고 밝혔다.


또한, DRV7308은 업계에서 가장 낮은 데드 타임과 200나노초(ns) 미만의 낮은 전파 지연을 달성해 가청 잡음과 시스템 진동을 줄이는 더 높은 펄스폭변조(PWM) 스위칭 주파수를 가능하게 한다. 이외에도 높은 전력 효율과 통합 기능은 모터 발열을 줄여 안정성을 높이고 시스템 수명을 연장할 수 있다.

가전제품의 소형화 추세에 따라 DRV7308은 더 작은 모터 구동 시스템을 개발할 수 있도록 지원한다. GaN 기술로 구현된 IPM은 12mm×12mm 패키지로 높은 전력 밀도를 제공하며 150W~250W 모터 구동 애플리케이션을 위한 업계에서 가장 작은 IPM이다. 특히, 높은 효율성으로 별도의 외부 방열판이 필요 없어 모터 구동 인버터 인쇄회로기판(PCB) 크기를 경쟁사 IPM 솔루션 대비 최대 55%까지 줄일 수 있다. 또한 전류 감지 증폭기, 보호 기능, 인버터 스테이지를 통합해 솔루션 크기와 비용을 더욱 줄여준다.

    

현재 250W HVAC 컴프레서 모터-인버터 스테이지를 설계할 경우, MOSFET 또는 IGBT IPM을 사용하거나 디스크리트 구현을 선택하는 두 가지 옵션이 있다. 두 솔루션의 최대 모터-인버터 스테이지 효율은 96% 또는 97%이며, 일반적인 전력 손실은 6W에서 7.5W이다. 이러한 낮은 수준의 효율은 특정 시스템 효율에 도달하기 위해 방열판과 같은 냉각 부품, 열 방출을 위한 더 큰 PCB, 그리고 더 비싼 모터가 필요하다. DRV7308 GaN IPM은 더 작은 패키지로 전력 손실을 50% 이상 줄일 수 있으며, 이것은 99% 이상의 모터-인버터 효율을 의미한다.

---

AEM_Automotive Electronics Magazine