在實現(xiàn)家用電器可持續(xù)性的進程中，制造商首要關注的重點，是如何集成先進電力技術、智能控制算法，以及高效電機控制和器件。意法半導體（ST）中國和亞太地區(qū)的電機控制技術創(chuàng)新中心（MCCC）長期致力于工業(yè)電機控制細分市場，開創(chuàng)了洗衣機的革命性解決方案，將氮化鎵（GaN）功率器件、無傳感器高靈敏度觀測器（HSO）技術和人工智能（AI）算法相結合，實現(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驅動的洗衣機解決方案，深入探討了與之相關的技術規(guī)格、性能優(yōu)勢和系統(tǒng)集成，同時還附帶了精準的測試數(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)市場跟蹤預測》（2025年10月），大型家用電器是僅有的幾個呈現(xiàn)正增長的工業(yè)子市場之一，其2023年至2025年的復合年增長率（CAGR）達到3.4%。這一增長的推動力來自消費者對節(jié)能、可持續(xù)電器需求的增加以及全球監(jiān)管標準的日益嚴格。

在家用電器領域，洗衣機占據(jù)了家庭電力和水消耗的較大比例，因而是相關技術創(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，復合年增長率穩(wěn)定在5%（2025-2028年）。

系統(tǒng)架構：GaN、HSO和AI集成

基于GaN驅動的洗衣機解決方案的核心，在于三項關鍵技術的無縫集成：ST PowerGaN和專用柵極驅動器器件、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具有超低的導通損耗，支持高開關頻率，使高能效變?yōu)榭赡?。此外，由于標準柵極驅動器無法驅動GaN器件，GaN柵極驅動器同樣不可或缺。ST提供的STDRIVEG611能夠利用超短的傳播延遲、過電流保護功能、UVLO、過熱關斷和待機功能來增強可靠性和穩(wěn)健性。而STM32微控制器則可在STM32G4和STM32C5上運行專有的ST HSO無傳感器算法，保證能效的進一步提升。結合PowerGaN，該解決方案可實現(xiàn)無散熱器運行，簡化制造過程，提高應用可靠性和品質，同時降低相關成本。運行在STM32上的NanoEdge AI可測量滾筒內衣物的重量，以調整洗滌程序，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)洗衣機的關鍵痛點——即高能耗、低效的電機控制和不精確的重量測量——同時又提供了一套緊湊、節(jié)能節(jié)水、無散熱器的設計，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驅動器，該驅動器具有高速半橋配置、45ns傳播延遲和全面的保護機制。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，還縮減了整體系統(tǒng)尺寸和成本。

ST MCCC進行了嚴格的測試，以比較GaN與IGBT在100至300瓦的標準洗滌循環(huán)中的能效（使用測功機負載）。測試裝置包含洗衣機（WM）的永磁同步電機（PMSM），具有4極對、310V直流母線電壓、500RPM電機速度、16kHz PWM頻率（DPWM模式）、GaN的300ns死區(qū)時間（IGBT為1500ns），以及用于控制的STM32 MCU。結果表明，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，進步顯著。當客戶采用ST的GaN解決方案時，其產(chǎn)品可在能源之星（Energy Star）評級中獲得高分，成為市場公認的出色節(jié)能產(chǎn)品。

熱性能測試進一步驗證了GaN的優(yōu)勢。我們在實驗室中采用另一臺電機對同一解決方案進行了測試。此次選用的是直接驅動（DD）電機，設定的任務參數(shù)為最大功率600瓦。

在具有18極對、310V直流總線、90RPM電機速度、23Nm扭矩和25°C環(huán)境溫度的WM PMSM DD電機連續(xù)運行15分鐘的情況下，GaN器件測得的最大殼溫(Tc)為80.0°C，估得的最大結溫(Tj)為82.4°C。如此低的發(fā)熱足跡證實了無散熱器設計的可行性——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，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（18極對）、310V直流母線、45RPM電機速度、16kHz PWM頻率和20分鐘循環(huán)（10s運行/10s停止），并且使用了真實且標準化的衣物負載。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）。

三種負載條件（低、中、高）的結果均表明，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載條件下的效率提高了20%以上，在低負載下甚至提高了50%以上。這要歸功于它對電機性能的優(yōu)化能力，尤其是在最低速度下的驅動性能。

NanoEdge AI：精確測量負載重量

為進一步提高效率，該解決方案集成了ST NanoEdge AI技術（通過STM32 MCU和MCSDK），用于精確測量負載重量，這也是優(yōu)化水資源和能源利用的關鍵因素。該AI算法可在用于控制電機的MCU上運行，利用先進的電機遙測數(shù)據(jù)和FOC算法集成，以100g的分辨率估算負載重量，使洗衣機能夠根據(jù)實際負載調整水位、循環(huán)時間、洗滌劑用量和電機速度。這種程度的精度消除了負載誤估，避免了水資源、洗滌劑、時間和能源的過度消耗，同時還保證了理想的攪動和漂洗效果，以提高洗滌性能。

NanoEdge AI Studio有助于數(shù)據(jù)集創(chuàng)建和算法訓練，允許制造商針對不同的洗衣機型號和負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。

結論與未來展望

ST基于STM32C5或STM32G4的GaN驅動式洗衣機解決方案集成了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。利用先進的功率器件、智能控制算法和緊湊的系統(tǒng)設計，該解決方案滿足了節(jié)能節(jié)水的關鍵市場需求，同時還提供了可靠、穩(wěn)健且高性能的設備運行。

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)管標準和消費者的預期。通過意法半導體全面的產(chǎn)品組合（包括STM32 MCU、STPOWER GaN器件、GaN驅動器、STSPIN電機解決方案和NanoEdge AI工具），制造商將能加快下一代高效、可持續(xù)、智能洗衣機的開發(fā)進程。