采用基于GaN的马达系统提高机器人应用的效率和功率密度

机器人在不同的市场领域中都有着广泛应用，并呈现出多种形式，其中包括服务机器人、协作机器人（cobot）、工业机器人 、自动驾驶无人机 和自动导引车辆等。对于一个成功的机器人应用，其关键因素之一是确保最佳马达驱动设计。基于硅器件的马达驱动器需要在效率和尺寸之间进行折衷，例如，以较高的开关频率运行虽然能够采用较小的无源元件，但由于具有相当大的开关损耗而导致很多散热。用氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）代替硅开关可以避免这些性能折衷。本文将探讨这种推测是否真的适合基于GaN器件的马达驱动系统。
 
基于GaN的马达驱动器结构与设计

图1所示为100 V 基于GaN器件的马达驱动器的顶层框图，该设计以半桥电路为中心，采用两个100 V、3 mΩ的CoolGaNTM SG HEMT，每个HEMT在封装顶部都有一个裸露的管芯，因而能够实现双面冷却。半桥电路具有最小的环路电感（400pH），这使得能够在1ns范围内实现非常快的电压转换，而不会超过峰值漏极电压额定值。
 

图1：基于CoolGaN™ SG HEMT 100 V马达驱动。

 
为此设计选择的栅极驱动器是1EDN7126G，它是1EDN 71x6G EiceDRIVER™ 栅极驱动器系列的一个成员，专门设计用于与GaN开关以及逻辑电平MOSFET一起使用。从0.5A（1EDN7146G）到2A（1DEN7116G）的多种不同拉/灌（source/sink）电流强度可提供开关速度的灵活性。同时，与具有独立栅极电阻器的设计相比，布局复杂度和环路电感都有所降低。
 
“真差分输入”（TDI）是该栅极驱动器系列的一个特点，即便在快速开关瞬态期间也能保证稳定运行。它能够为高压侧开关提供共模电压抑制，也能为低压侧提供抗接地反弹干扰能力。此外，1EDN71x6G系列在输出级还具备有源米勒箝位（Miller clamp），在栅极电压降至低于0.4V后不到3ns内，该箝位可将其下拉（pull-down）强度增加到5A。这允许改变GaN HEMT的关断速度，而不会增加其对感应导通敏感性的抗扰度。0.3Ω的低下拉电阻意味着一旦驱动器锁存，即便处在高速开关事件期间，栅极电压也能安全地保持在0V。
 
三个半桥电路包括单独的温度和相内（in-phase）电流感测。电路板的两侧都使用了薄型100 V陶瓷，以确保总直流链路电容超过80µF。高开关频率降低了这些电容器上的纹波电流，可以不再使用大型电解电容器。
 
该设计使用48V至5V降压DC/DC转换器来向低侧栅极驱动器提供稳压电源电压，1EDN71x6G EiceDRIVERTM的主动自举箝位功能用于为高侧栅极驱动器供电。
 
相对于传统的低侧电流测量，同相电流感测更具有优势，因为它能够优化高频功率环路电感，并充分利用CoolGaN HEMT提供的较快开关速度。隔离式同相电流传感器比差分电流放大器具有更好的电压瞬态抗扰性。通过采用基于单片霍尔技术的无磁芯设计，XENSIV™ TLI4971满能够满足这些要求，提供非常线性的输出，可配置的传感范围从±25到±120A，240 kHz的带宽能够满足苛刻的磁场定向控制（FOC）应用要求。
 
XMC4400驱动卡可提供无传感器磁场定向控制，最大开关频率为100 kHz，控制回路更新为20 kHz。若将控制频率提高到与开关频率相同，则能够在需要快速动态控制响应的应用中支持甚至更高的控制带宽。
 
马达驱动设计的俯视图、侧视图和仰视图如图2所示。整个马达驱动的所有组件，包括直流链路电容、电流传感器、辅助电源和方便的测试点，都位于一个只有56 mm x 40 mm的矩形区域内，电路板的厚度只有3.7mm。因此，该解决方案的总体积为8.3 cm³，这意味着在需要1kW功率处理能力的应用中，该马达驱动器的功率密度为120W/cm³或2kW/in³。

 

 

图2：CoolGaN™ 马达驱动的俯视图、侧视图和剖面图。

 
限制马达电压变化率的两个因素是绕组绝缘损坏和轴承磨损。绕组绝缘对于48V马达（通常具有更高电压等级的绝缘额定值）来说不是一个大问题，但轴承磨损可能是一些48V马达的重要关注因素，因此，出于这些原因，马达驱动器的开关速度有时会受到限制。然而，将驱动器连接到马达的电缆会显著影响马达侧的有效dV/dt，如图3所示。在本文中，马达处的dV/dt比在CoolGaN马达驱动器上看到的大约低一个数量级。此外，在确定轴承寿命时，必须考虑特定应用因素，如机械载荷、标称转速（RPM）和温度等。
 

图3：比较开关波形，包括直接在具有紧密探测回路的开关节点处，在略微延伸的探测回路的螺钉端子处，以及直接在使用光学隔离差分探头测量的两相之间马达端子处。

 
更高开关频率实现更高系统效率

系统设计师在选择开关频率时，CoolGaN™高速开关器件能够提供更多的选择，能够使设计师综合考虑端到端效率和解决方案总体尺寸，而不是只关注逆变器效率。
 
这种基于CoolGaN™的马达驱动系统效率的测量，是在20、60和100 kHz开关频率下，结合市售的低电感（20µH相到相）高极数（high pole-count）（14P）无人机马达来完成。使用万用表测量逆变器的直流电输入功率，使用测力计测量马达的机械输出功率。为了进行比较，图4显示了20 kHz和100 kHz下以100W和500W运行时的相电流波形。较高的开关频率致使电流纹波、均方根电流和发热显著降低。在100W时，RMS电流从5.6A降低到4.5A（降低20%）；在500W时，它从26.2A降低到23.1A（降低12%）。

图4：100W（左）和500W（右）运行时的相电流波形。

 
虽然在轻负载下，较高开关频率使RMS相电流的相对降低比较明显，但在整个负载范围内，绕组温度方面的益处更大。在500W机械输出功率下，绕组温度从20 kHz时的110℃降至100 kHz时的约80℃（参见图5）。这对于协同机器人等需要控制散热的应用非常重要。
 

图5：20、60和100 kHz运行时的马达绕组温度。

 
马达中较低的纹波电流降低了绕组和磁芯的损耗，从而降低了马达温度。然而，开关损耗却与开关频率成比例，从而可提高逆变器的功率损耗和温度。在传统的基于MOSFET或IGBT的设计中，由于开关损耗较高，这个问题是一个负面因素，但由于CoolGaN™HEMT具备极低的开关损耗，端到端效率随着开关频率的提高而改善，如图6所示。
 

图6：20和60 kH的端到端效率。

 
总结

本文介绍了选择无传感器FOC方案用于48V系统的基于GaN马达驱动器设计。
 
设计评估表明，GaN器件能够实现更高的开关频率，而不会降低系统效率或给热管理带来更多限制。采用更高的开关频率导致更低的马达温度、更高的端到端系统效率、以及更高的功率密度。这种方案具备的较小外形尺寸意味着马达驱动器可以嵌入到马达底盘附近（例如机器人手臂内部），从而减轻长连接器电缆引起的EMI。