意法半导体GaN驱动洗衣机实现更高效率与可持续性

在实现家用电器可持续性的进程中，制造商首要关注的重点，是如何集成先进电力技术、智能控制算法，以及高效电机控制和器件。意法半导体（ST）中国和亚太地区的电机控制技术创新中心（MCCC）长期致力于工业电机控制细分市场，开创了洗衣机的革命性解决方案，将氮化镓（GaN）功率器件、无传感器高灵敏度观测器（HSO）技术和人工智能（AI）算法相结合，实现了对能效、节水和操作可靠性的重新定义。本文针对创新型基于GaN驱动的洗衣机解决方案，深入探讨了与之相关的技术规格、性能优势和系统集成，同时还附带了精准的测试数据和市场洞察。

市场趋势：对高效家用电器的需求持续增长

根据OMDIA的《工业市场跟踪预测》（2025年10月），大型家用电器是仅有的几个呈现正增长的工业子市场之一，其2023年至2025年的复合年增长率（CAGR）达到3.4%。这一增长的推动力来自消费者对节能、可持续电器需求的增加以及全球监管标准的日益严格。

在家用电器领域，洗衣机占据了家庭电力和水消耗的较大比例，因而是相关技术创新的主要对象之一。家用电器的TAM市场规模巨大，到2025年，其规模将超过40亿美元，复合年增长率稳定在5%（2025-2028年）。

系统架构：GaN、HSO和AI集成

基于GaN驱动的洗衣机解决方案的核心，在于三项关键技术的无缝集成：ST PowerGaN和专用栅极驱动器器件、基于STM32的HSO无传感器控制算法，以及用于精确衣物重量测量的NanoEdge AI。

ST PowerGaN具有超低的导通损耗，支持高开关频率，使高能效变为可能。此外，由于标准栅极驱动器无法驱动GaN器件，GaN栅极驱动器同样不可或缺。ST提供的STDRIVEG611能够利用超短的传播延迟、过电流保护功能、UVLO、过热关断和待机功能来增强可靠性和稳健性。而STM32微控制器则可在STM32G4和STM32C5上运行专有的ST HSO无传感器算法，保证能效的进一步提升。结合PowerGaN，该解决方案可实现无散热器运行，简化制造过程，提高应用可靠性和品质，同时降低相关成本。运行在STM32上的NanoEdge AI可测量滚筒内衣物的重量，以调整洗涤程序，继而减少电力和水资源的消耗。

该集成方法成功解决了传统洗衣机的关键痛点——即高能耗、低效的电机控制和不精确的重量测量——同时又提供了一套紧凑、节能节水、无散热器的设计，使可用性得以大幅提升。

GaN功率器件：重新定义效率和热性能

意法半导体的STPOWER GaN器件具有卓越的能效和热管理性能。该解决方案采用SGT105R70ILB GaN晶体管，额定电压为700V，导通电阻为80mΩ（典型值）/105mΩ（最大值），电流为21.7A（25°C下），并搭配STDRIVEG611 GaN驱动器，该驱动器具有高速半桥配置、45ns传播延迟和全面的保护机制。这一组合搭载了STM32C5或STM32G4微控制器，有效消除了对大型散热器的需求，在提高可靠性的同时，还缩减了整体系统尺寸和成本。

ST MCCC进行了严格的测试，以比较GaN与IGBT在100至300瓦的标准洗涤循环中的能效（使用测功机负载）。测试装置包含洗衣机（WM）的永磁同步电机（PMSM），具有4极对、310V直流母线电压、500RPM电机速度、16kHz PWM频率（DPWM模式）、GaN的300ns死区时间（IGBT为1500ns），以及用于控制的STM32 MCU。结果表明，与基于IGBT的等效系统相比，基于GaN的系统的能效提高了6%至4%，这对长期家庭节能而言，进步显著。当客户采用ST的GaN解决方案时，其产品可在能源之星（Energy Star）评级中获得高分，成为市场公认的出色节能产品。

热性能测试进一步验证了GaN的优势。我们在实验室中采用另一台电机对同一解决方案进行了测试。此次选用的是直接驱动（DD）电机，设定的任务参数为最大功率600瓦。

在具有18极对、310V直流总线、90RPM电机速度、23Nm扭矩和25°C环境温度的WM PMSM DD电机连续运行15分钟的情况下，GaN器件测得的最大壳温(Tc)为80.0°C，估得的最大结温(Tj)为82.4°C。如此低的发热足迹证实了无散热器设计的可行性——既简化了系统集成，又降低了GaN的材料成本。

STM32 HSO无传感器控制算法：优于传统STO无传感器控制算法效率

在此，我们采用了另一种架构，将STM32与另一款已在市面上大获成功的产品ST SLLIMM Nano IGBT相结合。该解决方案采用了基于STM32G431 MCU的HSO（高灵敏度观测器）无传感器控制，在转子角度测量精度和低速操作性方面优于传统的状态观测器算法。测试采用WM PMSM DD电机（18极对）、310V直流母线、45RPM电机速度、16kHz PWM频率和20分钟循环（10s运行/10s停止），并且使用了真实且标准化的衣物负载。测试装置包含STGIPQ8C60T-HZ SLLIMM NANO、VIPER122 730V（40mW空载），以及LDK320 LDO（最大200mA，100mV压降）。

三种负载条件（低、中、高）的结果均表明，与传统的状态观测器相比，HSO显著节省了能源：

总体而言，HSO无传感器控制在全部负载条件下的效率提高了20%以上，在低负载下甚至提高了50%以上。这要归功于它对电机性能的优化能力，尤其是在最低速度下的驱动性能。

NanoEdge AI：精确测量负载重量

为进一步提高效率，该解决方案集成了ST NanoEdge AI技术（通过STM32 MCU和MCSDK），用于精确测量负载重量，这也是优化水资源和能源利用的关键因素。该AI算法可在用于控制电机的MCU上运行，利用先进的电机遥测数据和FOC算法集成，以100g的分辨率估算负载重量，使洗衣机能够根据实际负载调整水位、循环时间、洗涤剂用量和电机速度。这种程度的精度消除了负载误估，避免了水资源、洗涤剂、时间和能源的过度消耗，同时还保证了理想的搅动和漂洗效果，以提高洗涤性能。

NanoEdge AI Studio有助于数据集创建和算法训练，允许制造商针对不同的洗衣机型号和负载类型定制解决方案，确保在不同的用例中维持始终如一的性能。

结论与未来展望

ST基于STM32C5或STM32G4的GaN驱动式洗衣机解决方案集成了HSO无传感器控制和NanoEdge AI，体现了家用电器在可持续性和效率方面的重大飞跃。利用先进的功率器件、智能控制算法和紧凑的系统设计，该解决方案满足了节能节水的关键市场需求，同时还提供了可靠、稳健且高性能的设备运行。

随着家电市场对可持续性的日益重视，制造商有望凭借这一集成式解决方案，满足监管标准和消费者的预期。通过意法半导体全面的产品组合（包括STM32 MCU、STPOWER GaN器件、GaN驱动器、STSPIN电机解决方案和NanoEdge AI工具），制造商将能加快下一代高效、可持续、智能洗衣机的开发进程。