在實(shí)現(xiàn)家用電器可持續(xù)性的進(jìn)程中，制造商首要關(guān)注的重點(diǎn)，是如何集成先進(jìn)電力技術(shù)、智能控制算法，以及高效電機(jī)控制和器件。意法半導(dǎo)體（ST）中國和亞太地區(qū)的電機(jī)控制技術(shù)創(chuàng)新中心（MCCC）長期致力于工業(yè)電機(jī)控制細(xì)分市場，開創(chuàng)了洗衣機(jī)的革命性解決方案，將氮化鎵（GaN）功率器件、無傳感器高靈敏度觀測器（HSO）技術(shù)和人工智能（AI）算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對能效、節(jié)水和操作可靠性的重新定義。本文針對創(chuàng)新型基于GaN驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)解決方案，深入探討了與之相關(guān)的技術(shù)規(guī)格、性能優(yōu)勢和系統(tǒng)集成，同時(shí)還附帶了精準(zhǔn)的測試數(shù)據(jù)和市場洞察。

市場趨勢：對高效家用電器的需求持續(xù)增長

根據(jù)OMDIA的《工業(yè)市場跟蹤預(yù)測》（2025年10月），大型家用電器是僅有的幾個(gè)呈現(xiàn)正增長的工業(yè)子市場之一，其2023年至2025年的復(fù)合年增長率（CAGR）達(dá)到3.4%。這一增長的推動(dòng)力來自消費(fèi)者對節(jié)能、可持續(xù)電器需求的增加以及全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格。

在家用電器領(lǐng)域，洗衣機(jī)占據(jù)了家庭電力和水消耗的較大比例，因而是相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新的主要對象之一。家用電器的TAM市場規(guī)模巨大，到2025年，其規(guī)模將超過40億美元，復(fù)合年增長率穩(wěn)定在5%（2025-2028年）。

系統(tǒng)架構(gòu)：GaN、HSO和AI集成

基于GaN驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)解決方案的核心，在于三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的無縫集成：ST PowerGaN和專用柵極驅(qū)動(dòng)器器件、基于STM32的HSO無傳感器控制算法，以及用于精確衣物重量測量的NanoEdge AI。

ST PowerGaN具有超低的導(dǎo)通損耗，支持高開關(guān)頻率，使高能效變?yōu)榭赡堋４送?，由于?biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器無法驅(qū)動(dòng)GaN器件，GaN柵極驅(qū)動(dòng)器同樣不可或缺。ST提供的STDRIVEG611能夠利用超短的傳播延遲、過電流保護(hù)功能、UVLO、過熱關(guān)斷和待機(jī)功能來增強(qiáng)可靠性和穩(wěn)健性。而STM32微控制器則可在STM32G4和STM32C5上運(yùn)行專有的ST HSO無傳感器算法，保證能效的進(jìn)一步提升。結(jié)合PowerGaN，該解決方案可實(shí)現(xiàn)無散熱器運(yùn)行，簡化制造過程，提高應(yīng)用可靠性和品質(zhì)，同時(shí)降低相關(guān)成本。運(yùn)行在STM32上的NanoEdge AI可測量滾筒內(nèi)衣物的重量，以調(diào)整洗滌程序，繼而減少電力和水資源的消耗。

該集成方法成功解決了傳統(tǒng)洗衣機(jī)的關(guān)鍵痛點(diǎn)——即高能耗、低效的電機(jī)控制和不精確的重量測量——同時(shí)又提供了一套緊湊、節(jié)能節(jié)水、無散熱器的設(shè)計(jì)，使可用性得以大幅提升。

GaN功率器件：重新定義效率和熱性能

意法半導(dǎo)體的STPOWER GaN器件具有卓越的能效和熱管理性能。該解決方案采用SGT105R70ILB GaN晶體管，額定電壓為700V，導(dǎo)通電阻為80mΩ（典型值）/105mΩ（最大值），電流為21.7A（25°C下），并搭配STDRIVEG611 GaN驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有高速半橋配置、45ns傳播延遲和全面的保護(hù)機(jī)制。這一組合搭載了STM32C5或STM32G4微控制器，有效消除了對大型散熱器的需求，在提高可靠性的同時(shí)，還縮減了整體系統(tǒng)尺寸和成本。

ST MCCC進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，以比較GaN與IGBT在100至300瓦的標(biāo)準(zhǔn)洗滌循環(huán)中的能效（使用測功機(jī)負(fù)載）。測試裝置包含洗衣機(jī)（WM）的永磁同步電機(jī)（PMSM），具有4極對、310V直流母線電壓、500RPM電機(jī)速度、16kHz PWM頻率（DPWM模式）、GaN的300ns死區(qū)時(shí)間（IGBT為1500ns），以及用于控制的STM32 MCU。結(jié)果表明，與基于IGBT的等效系統(tǒng)相比，基于GaN的系統(tǒng)的能效提高了6%至4%，這對長期家庭節(jié)能而言，進(jìn)步顯著。當(dāng)客戶采用ST的GaN解決方案時(shí)，其產(chǎn)品可在能源之星（Energy Star）評級中獲得高分，成為市場公認(rèn)的出色節(jié)能產(chǎn)品。

熱性能測試進(jìn)一步驗(yàn)證了GaN的優(yōu)勢。我們在實(shí)驗(yàn)室中采用另一臺電機(jī)對同一解決方案進(jìn)行了測試。此次選用的是直接驅(qū)動(dòng)（DD）電機(jī)，設(shè)定的任務(wù)參數(shù)為最大功率600瓦。

在具有18極對、310V直流總線、90RPM電機(jī)速度、23Nm扭矩和25°C環(huán)境溫度的WM PMSM DD電機(jī)連續(xù)運(yùn)行15分鐘的情況下，GaN器件測得的最大殼溫(Tc)為80.0°C，估得的最大結(jié)溫(Tj)為82.4°C。如此低的發(fā)熱足跡證實(shí)了無散熱器設(shè)計(jì)的可行性——既簡化了系統(tǒng)集成，又降低了GaN的材料成本。

STM32 HSO無傳感器控制算法：優(yōu)于傳統(tǒng)STO無傳感器控制算法效率

在此，我們采用了另一種架構(gòu)，將STM32與另一款已在市面上大獲成功的產(chǎn)品ST SLLIMM Nano IGBT相結(jié)合。該解決方案采用了基于STM32G431 MCU的HSO（高靈敏度觀測器）無傳感器控制，在轉(zhuǎn)子角度測量精度和低速操作性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的狀態(tài)觀測器算法。測試采用WM PMSM DD電機(jī)（18極對）、310V直流母線、45RPM電機(jī)速度、16kHz PWM頻率和20分鐘循環(huán)（10s運(yùn)行/10s停止），并且使用了真實(shí)且標(biāo)準(zhǔn)化的衣物負(fù)載。測試裝置包含STGIPQ8C60T-HZ SLLIMM NANO、VIPER122 730V（40mW空載），以及LDK320 LDO（最大200mA，100mV壓降）。

三種負(fù)載條件（低、中、高）的結(jié)果均表明，與傳統(tǒng)的狀態(tài)觀測器相比，HSO顯著節(jié)省了能源：

總體而言，HSO無傳感器控制在全部負(fù)載條件下的效率提高了20%以上，在低負(fù)載下甚至提高了50%以上。這要?dú)w功于它對電機(jī)性能的優(yōu)化能力，尤其是在最低速度下的驅(qū)動(dòng)性能。

NanoEdge AI：精確測量負(fù)載重量

為進(jìn)一步提高效率，該解決方案集成了ST NanoEdge AI技術(shù)（通過STM32 MCU和MCSDK），用于精確測量負(fù)載重量，這也是優(yōu)化水資源和能源利用的關(guān)鍵因素。該AI算法可在用于控制電機(jī)的MCU上運(yùn)行，利用先進(jìn)的電機(jī)遙測數(shù)據(jù)和FOC算法集成，以100g的分辨率估算負(fù)載重量，使洗衣機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)整水位、循環(huán)時(shí)間、洗滌劑用量和電機(jī)速度。這種程度的精度消除了負(fù)載誤估，避免了水資源、洗滌劑、時(shí)間和能源的過度消耗，同時(shí)還保證了理想的攪動(dòng)和漂洗效果，以提高洗滌性能。

NanoEdge AI Studio有助于數(shù)據(jù)集創(chuàng)建和算法訓(xùn)練，允許制造商針對不同的洗衣機(jī)型號和負(fù)載類型定制解決方案，確保在不同的用例中維持始終如一的性能。

結(jié)論與未來展望

ST基于STM32C5或STM32G4的GaN驅(qū)動(dòng)式洗衣機(jī)解決方案集成了HSO無傳感器控制和NanoEdge AI，體現(xiàn)了家用電器在可持續(xù)性和效率方面的重大飛躍。利用先進(jìn)的功率器件、智能控制算法和緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該解決方案滿足了節(jié)能節(jié)水的關(guān)鍵市場需求，同時(shí)還提供了可靠、穩(wěn)健且高性能的設(shè)備運(yùn)行。

隨著家電市場對可持續(xù)性的日益重視，制造商有望憑借這一集成式解決方案，滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者的預(yù)期。通過意法半導(dǎo)體全面的產(chǎn)品組合（包括STM32 MCU、STPOWER GaN器件、GaN驅(qū)動(dòng)器、STSPIN電機(jī)解決方案和NanoEdge AI工具），制造商將能加快下一代高效、可持續(xù)、智能洗衣機(jī)的開發(fā)進(jìn)程。