用于电机驱动应用的GaN器件

今天，永磁电机，也称为直流无刷电机，应用广泛，与其他电机相比，可提供更高的每立方英寸扭矩能力和更高的动态性能。迄今为止，硅基功率器件一直在逆变器电子产品中占据主导地位，但今天，它们的性能已接近理论极限。1,2 对更高功率密度的需求日益增加。氮化镓晶体管和 IC 具有满足这些需求的最佳属性。

GaN 卓越的开关行为有助于消除死区时间并增加 PWM 频率，以获得无与伦比的正弦电压和电流波形，从而以更高的系统效率实现更平稳、更安静的运行。功率密度随着输入滤波器中的电解电容器替换为更小、更便宜且更可靠的陶瓷电容器而增加。

两电平逆变器拓扑和电机控制基础

两电平、三相逆变器拓扑如图 1所示 。

图1：直流无刷电机系统

给定机械负载的特定要求和工作点，数字控制器确定适当的频率、电压幅度和功率方向。功率可以在直流电源和机械系统之间双向流动。在制动的情况下，必须控制操作以避免直流母线轨中出现危险的过电压，尤其是当输入电容器组由对过电压极其敏感的电解电容器制成时。3

硅逆变器限制

逆变器功耗由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗与开关的 R DS( on)成正比。降低沟道电阻有助于降低传导损耗，但会增加开关损耗。传导损耗和开关损耗之间的关系取决于具体的技术。

直流和电池供电的电机驱动应用的直流总线电压范围为 24 V DC 至 96 V DC。对于硅 MOSFET，PWM 频率保持在 40 kHz 以下，死区时间保持在 200 ns 至 500 ns 的范围内。低 PWM 频率有助于避免 Si MOSFET 的高开关损耗代价。

图 2：电池电缆是 EMI 的来源，需要在逆变器输入端插入 LC 滤波器。

LC滤波器耗散

图 2 显示了与电机集成并通过电缆连接到电池的逆变器。低 PWM 频率硅逆变器在电池电缆上的电压和电流中产生纹波，成为 EMI 源。必须在逆变器和电池电缆之间插入 LC 滤波器以减少干扰。LC 滤波器耗散降低了逆变器和整个系统的效率。

转矩六次谐波耗散

对于硅器件，必要的死区时间负责产生扭矩中电频率的六次谐波;这种偶次谐波降低了电机效率，同时增加了传递到负载和绕组温度的振动。

氮化镓优势

GaN 器件，例如来自 Efficient Power Conversion (EPC) 的器件，开关损耗较低，并且没有体二极管 pn 结，因此在硬开关操作中没有相关的反向恢复。这两个因素相结合有助于消除死区时间并将 PWM 频率增加到可以用陶瓷电容器代替输入滤波器的程度。优点是使用更小更轻的逆变器可以更安静地运行。电机在较低温度下运行更平稳，效率更高。陶瓷电容器的使用降低了成本并提高了系统可靠性。

在硬开关中，必须考虑器件反向电容 (C RSS ) 特性、其线性度和比率 (C RSSslow /C RSShigh )。C RSS 在开关过程中起主要作用，观察到的漏极和源极之间的dV DS /dt 与 C RSS成反比， 并与米勒平台期间流入栅极的 I栅极 电流成正比。4

栅极驱动是通过电阻器向开关的栅极施加电压来完成的。如果 C RSSlow /C RSShigh 的 值过高，则：

开启事件开始时开关速度过快，导致 dV/dt 过高。

开关在开启事件结束时太慢，导致尾部效应和更高的功耗。

在 图 3 和 图4 中，显示了 来自 EPC 的 100-V MOSFET 和 100-V eGaN FET的 C RSS与电压的关系曲线。eGaN 器件的换向波形更平滑，因为 C RSS 曲线比 MOSFET 更线性。

图 3：硅 — 100V MOSFET (BSC027N10NS5) 的 C RSSlow /C RSShigh = 1,500 pF/35 pF = 43。

图 4：GaN — EPC 100-V eGaN FET，EPC2022，C RSSlow /C RSShigh = 300 pF/6 pF = 50。

体二极管反向恢复

当半桥中的 MOSFET 针对其互补开关的体二极管导通时，它必须处理反向恢复电流，该电流取决于负载电流和导通 di/dt。5 通常的做法是减慢导通事件以降低 di/dt 并降低反向恢复电流;然而，这需要增加可应用于半桥的最小死区时间。

GaN FET 可实现可重复且平滑的 dV/dt，从而减少死区时间。

死区消除效果

当 在逆变器中使用分立的 eGaN FET 或 GaN ePower 级 IC 6时，死区时间可以减少到几十纳秒，从而可以将平滑的电压波形施加到电机端子上。 图 5 和 图6 显示了两个不同死区时间值之间调制电压和相电流的差异。消除死区时间可以提高所施加正弦电压的质量(就总谐波失真而言)，这反过来又反映在相电流失真、振动和电机产生的噪声的减少上。

图 5：20 kHz 时的电压调制和相电流，死区时间为 500 ns

图 6：20 kHz 时的电压调制和相电流，死区时间为 14 ns

死区时间插入导致每个电气周期总共六个不连续性，这些不连续性表现为施加到电机的扭矩中的六次谐波。扭矩信号谱的比较 如图7 和 图8所示。使用 GaN 逆变器，施加的扭矩更平滑，电机效率更高，因为所有电流都转换为施加到负载的扭矩。

图 7：500 ns 死区时间对扭矩信号的影响;电频率为 27 Hz，可见六次谐波。扭矩信号从扭矩传感器获得。

图 8：14 ns 死区时间对扭矩信号的影响;电频率为 27 Hz，转矩六次谐波为零。

PWM频率提升效果

GaN 逆变器可以轻松地在 100 kHz PWM 频率下运行。输入电压纹波是逆变器输出峰值电流、输入电容值和 PWM 开关频率的函数：6

如果 PWM 频率从 20 kHz 增加到 100 kHz，输入电容可以减少至少 5 倍，以保持相同的输入电压纹波。

输入电流纹波与 PWM 频率成反比。在 PWM 周期中，此公式适用：

增加 PWM 频率具有降低输入电流纹波和输入电压纹波的双重效果。

对于低 PWM 频率 (20 kHz)，所需的输入电容由极化电容器 - 电解或钽制成。电解电容器限制了它们可以支持的 RMS 电流量。钽电容很贵。

当 PWM 频率增加时，所需的最小电容会降低，从而允许使用陶瓷电容器。陶瓷电容器在 100 和 200 kHz 之间的范围内表现出较低的串联阻抗，温度更稳定，并且更可靠。结果是一个更紧凑和更可靠的逆变器，给定相同的功率耗散和功率输出。

图 9 和 图10 显示了比较由传统逆变器和 GaN 逆变器组成的两种不同设置时输入电流、输入电压和输出电流的纹波。

两种设置都以 36V直流 电池电压和 5A RMS 相电流运行电动自行车电机。输入电压和电流纹波相似，因此预期传导 EMI 相同。在 GaN 100-kHz 解决方案中，输出电流纹波降低，电机中的电流具有更好的正弦形状。

图 9：具有 LC 输入滤波器的传统逆变器，PWM = 20 kHz，DT = 500 ns，L = 6 µH，C = 2× 330-µF 电解电容器;U 相电流 = 500 mA/div，输入电压 = 200 mV/div，输入电流 = 200 mA/div，50 µs/div 缩放时间刻度

图 10：在 PWM = 100 kHz、DT = 21 ns 和 C = 2× 22-µF 陶瓷时不带输入滤波器的 GaN 逆变器;U 相电流 = 500 mA/div，输入电压 = 200 mV/div，输入电流 = 200 mA/div，10 µs/div 缩放时间刻度

系统效率

当 使用功率计系统比较图 9 和 图10的两种设置时， 运行在 100 kHz 的 GaN 逆变器显示出比以低 PWM 频率运行并带有输入 LC 滤波器的传统逆变器更高的总系统效率。

表 1：基于 Si 和 GaN 逆变器的系统的效率比较。扭矩和速度是用传感器测量的。

表 1 显示，通过从基于硅的 20-kHz 逆变器转向基于几乎没有死区时间的基于 GaN 的 100-kHz 逆变器，输入滤波器的尺寸、重量和成本都减小了，并且总系统效率在具体操作点提高了6.5个点。

用于电机应用的 GaN 器件

图 11 显示了电机驱动应用中最常用的 GaN 器件。右侧的最后一个设备是完全集成的 ePower 级 IC，额定电压为 80 V。

图 11：用于电机驱动应用的 EPC GaN FET、单片半桥和 ePower 级 IC

概括

直流和电池供电的电机应用正在从传统的 Si MOSFET 和低 PWM 频率逆变器转向基于 GaN 的高 PWM 频率逆变器。优点是系统效率更高，无需电解电容和输入电感。

审核编辑：汤梓红