用于1kW以上电机驱动应用的集成电路GaN逆变器

自问世以来，氮化镓技术开启了电力电子领域的新纪元。GaN 技术的三个最重要的参数是更高的带隙、临界场和电子迁移率。当这些参数结合起来时，由于 GaN 晶体的临界场高出 10 倍，因此与硅 MOSFET 相比，电气端子可以更接近 10 倍。这导致 GaN 和硅之间有一个明显的区别因素：中压 GaN 器件可以建立在平面技术上，而这对于硅器件来说成本过高。为了具有竞争力，硅器件采用垂直技术制造，因此在同一芯片中不可能有两个功率器件。EPC 的 GaN-on-Si 平面技术没有这个必须垂直构建的限制，

图 1：EPC GaN 技术可实现功率器件与栅极驱动器逻辑的集成。

GaN IC 功率级芯片组 — EPC23101 与 EPC2302 组合

从分立横向 eGaN FET 器件开始，EPC 迅速转向更高的集成度。2019 年，ePower Stage IC 系列产品重新定义了功率转换，将所有必要的电源系统级芯片功能集成到单个 GaN-on-Si IC 中，具有更高的电压和更高的频率水平——超出了硅的范围。最近，在 2021 年，结合 EPC2302 功率级芯片组的 EPC23101 被推向市场（图 2）。

EPC23101 是一款额定电压为 100V 的单片组件，集成了输入逻辑接口、电平转换、自举充电和栅极驱动缓冲电路，以及一个高侧 2.6mΩ 典型 R DS(on) GaN 输出 FET。EPC23101 IC 仅需要一个外部 5V (V DRV ) 电源。内部低侧和高侧电源 V DD和 V BOOT由外部电源通过串联开关和同步自举开关产生。通过将 EN 引脚连接到 V DRV可以禁用内部电路以降低静态功耗。

图 2：EPC23101 结合 EPC2302 GaN IC 芯片组框图

图 3：EPC9173 BLDC 逆变器功能框图

带有 EPC23101 的 EPC9173 电机驱动参考设计

为了展示 EPC23101 IC 在电机驱动逆变器中的功能，EPC 发布了 EPC9173 参考设计。在此板上，三相逆变器的每个半桥都包含两个 EPC23101 IC，它们的 PWM 信号交叉连接，允许插入源分流器来读取电流，如图 3 所示，部分原理图.

通过将同一 IC 用于低侧开关，可以实现平衡半桥逆变器，并且两个开关都可以相对于电源地浮动。这使得源分流器的插入更容易，避免了输入 PWM 信号节点上的接地反弹。EPC9173 板包括一个过流检测电路，可用作过流或限流功能，具体取决于所需的算法和调制。

应用

PWM频率增加和死区时间减少

GaN IC 和 FET 在电机驱动应用中具有多项优势。最容易理解的优势是减小了逆变器尺寸，这是由于 GaN FET 和 IC 的固有尺寸比等效 MOSFET 更小。然而，为了充分利用新技术，最好以更高的 PWM 频率运行电机，从而减少死区时间。2

提高开关频率有助于减少输入滤波器并消除对电解电容器的需求。表 1 显示了两个逆变器之间的比较——一个运行在 20kHz、500ns 死区时间，另一个基于 GaN，运行在 100kHz、14ns 死区时间——如表 1 所示。电机效率更高，因为消除了许多浪费能源的谐波。

表 1：20-kHz、500-ns 逆变器与 100-kHz、14-ns GaN 逆变器与减少输入滤波器的比较2

电机中具有低 L/R 时间常数的应用

所有需要高电频率和快速动态的应用，例如无人机螺旋桨和电动自行车踏板电机，都使用非常低电感（个位数 - 微亨利范围）的电机。随着通过更好的材料和更高强度的永磁体实现的更有效的磁路设计的出现，可以减少电磁相上的匝数，并且仍然产生相同的反电动势。

电流随时间的上升与电压与电感的比有关，随着电感的减小，电流上升得更快，PWM 感应电流纹波也是如此。电流上升时间缩短和纹波增大会增加产生的热量并产生额外的 EMI 噪声，这是不可取的。通常，这些电机的时间常数τ = L / R很小，可以从 100kHz 的 PWM 频率中受益。

输入电流和电压纹波

逆变器中的输入电压纹波 Δv in与输出相电流成正比，与 PWM 频率和输入电容成反比，如下式所示：

所需的纹波Δv取决于从直流电源到逆变器的电缆产生的辐射所给出的 EMI 约束。如果 PWM 频率在 20 kHz 范围内，则所需的输入电容 ( C in ) 实际上只能通过使用体积较大且可靠性不如陶瓷电容器的电解电容器来获得。此外，电解电容器受到可以流过它们的 RMS 电流的限制。当频率提高到 100 kHz 时，设计人员可以使用 X7R 等陶瓷电容器。EPC9173 参考设计同时提供电解电容器和陶瓷电容器，让设计人员有机会选择他们喜欢的开关频率，并根据需要添加或移除电容器。

梯形调制电动工具

许多电动工具应用仍在使用梯形调制方案和相关的逆变器原理图。对于逐周期限流方案和低电感电机，PWM 频率越低，电流纹波越高。这反过来又会产生热量和不必要的功耗。使用具有相同梯形方案的 GaN 逆变器可以提高 PWM 频率，然后降低电流纹波，从而获得更高的效率、更少的热量和更少的振动。

结论

在处理电机应用时，如果提高 PWM 频率，大幅减少死区时间，并将输入电容从电解电容转换为陶瓷电容，GaN 逆变器可以提高系统效率。使用 EPC 的新型 GaN IC，例如 EPC2152 和 EPC23101，可以提高功率密度和系统效率，同时节省大量系统设计工作。

审核编辑：汤梓红