GaN HEMT助力电机改革

对紧凑而强大的电动机的需求给设计工程师带来了新的挑战。为了最大限度地提高小型电机的功率输出，工程师们正在转向高压和高频操作。硅 (Si) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和集成栅双极晶体管 (IGBT)——传统的开关模式逆变器（现代电动机控制的重要元件）所基于的——正在努力应对这些运营需求。有限的功率密度和击穿电压阈值限制了驱动电压，并且高频操作所需的快速切换推高了功率损耗。结果是效率低下和热量积聚。

氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 为高压和高频电机驱动应用提供了 MOSFET 和 IGBT 的替代品。这些宽带隙(WBG) 半导体器件正在为高功率密度电机开辟新的应用，因为它们可以处理更高的电压、电流、温度和开关频率，而损耗比硅晶体管低得多。用于高功率密度电动机应用的集成 GaN HEMT 和驱动逆变器级的商业可用性正在简化新技术的采用。

GaN HEMT 逆变器是对新一代陶瓷电容器的补充，该电容器可以处理高压尖峰和浪涌，这些高压尖峰和浪涌可能会对高功率密度电动机固有的传统直流 (DC) 链路组件造成过压。

下面，我们将探讨高功率密度电动机功率级中使用的组件所面临的挑战，以及如何提出 GaN HEMT 和高性能陶瓷电容器作为解决方案。

电动机设计的进展

设计人员需要更小、更轻的电动机，以增强现有产品并使其能够在广泛的新应用中使用。高电源电压和控制频率有望提供解决方案。

高压操作的优势

标称电机功率是电源电压乘以电流 (V x A) 的乘积。传统电动机在低电压 (<1,000V) 下运行，要求它们以高电流运行以产生高功率。大电流操作的缺点是需要更大的线圈，这会增加线圈电阻并降低效率并提高温度。高电压 (≥10kV) 降低了电流要求，允许使用更小的线圈。缺点是电机组件（包括电机驱动电子设备）必须处理高电压，限制了选择并增加了成本。第二个缺点是小线圈具有低电感绕组，因此无法抑制开关电源产生的电流纹波。

高频操作的优点

现代电机的一种常见类型是三相交流电 (AC) 类型，通过顺序向电机的每个相（绕组）施加电流来驱动。电机转子被绕组产生的旋转磁场拉动，其转速与工作频率成正比（图1）。

图 1：应用于感应电动机每个相位的正弦信号会产生一个旋转磁场，该磁场会拖动转子。（来源：科学）

脉宽调制 (PWM) 叠加在基本工作频率上，以控制启动电流、扭矩和功率等参数。半导体晶体管（通常是 MOSFET 或 IGBT）的开关决定了 PWM 波形。

高频 PWM 的一个关键优势是电流纹波（整流后交流输入的伪影）降低，克服了较小线圈的一个缺点。降低电流纹波需要更小、更便宜的无源元件进行滤波。高频操作还减少了转矩脉动——由于电机线圈的正弦输入不够完美而导致的不均匀电动势——这可能导致电机振动和过早磨损。

总体而言，高频开关提高了功率密度（每单位体积产生的功率），从而使较小的电机具有与较大设备相同的输出。

传统电机驱动器已达到极限

传统的三相交流电机在高达 1,000V 的电压和高达 20kHz 的开关频率下运行。这样的操作参数完全在用于构建电机驱动最后阶段的反相桥的廉价且商业上广泛使用的硅 MOSFET 的能力范围内。

然而，由于这些原因，硅晶体管在高功率密度电机应用中达到了极限。

• 组件相对较低的击穿电压限制了电源电压；
• 随着工作频率的升高，晶体管的开关损耗（由晶体管每次从开到关时的残余电阻和电容引起）迅速超过效率增益；
• 由于开关时间相对较长，器件会达到一个阈值，超过该阈值就无法进行更高频率的操作。

IGBT 较高的击穿电压提供了一些喘息的机会，允许工程师提高工作电压和工作频率。但随着工作频率攀升至 50kHz 以上，IGBT 开始遭受不可接受的开关损耗并且不能足够快地开关。

GaN HEMT 的优势

尽管硅是电子工业的支柱，但其他半导体通常用于需要高压和高频操作或需要耐高温的专业应用。这些替代半导体的特点是宽带隙 (WBG) - 衡量释放电子在半导体中传导所需的能量 - 与硅相比，它显着改变了材料的电学特性。WBG 半导体的带隙为 2eV 至 4eV，而硅的带隙为 1eV 至 1.5eV。GaN 是商业上可用且经过验证的 WBG 半导体的一个例子。

WBG 的特性

在硅 MOSFET 中，高于 100°C 的温度会影响受控开关，因为一些电子从热量（而不是开关电压）中获得足够的能量以逃离母原子。由于 WBG 半导体的电子需要更多能量才能从原子中逸出并有助于传导，因此在 GaN 晶体管中直到温度达到 300°C 左右才会出现相同的效果。

WBG 半导体表现出比硅更高的击穿电压（高于 600V）。这很复杂，但部分是由于称为电子饱和速度（也称为电子迁移率）的特性。更高的迁移率允许 WBG 半导体材料处理两倍于硅的电流密度 (A/cm 2 )。这一特性还允许 GaN HEMT 以硅 MOSFET 翻转所需时间的四分之一左右进行切换。

由于寄生电阻和电极电阻，所有半导体晶体管都表现出通态功率损耗。诸如电极间电容等其他因素也会导致功率损耗。每次切换晶体管时都会发生损耗，并且与开关频率和电机电流成正比。GaN HEMT 的寄生电阻和电极电阻约为硅 MOSFET 的一半，电极间电容约为五分之一。差异表明，对于给定的开关频率和电机电流，GaN HEMT 的开关损耗约为硅 MOSFET 的 10% 至 30%。IGBT 在高频下的开关损耗低于 MOSFET，但仍远低于 GaN HEMT。

GaN HEMT 的最后一个优势是晶体管不会受到反向恢复电荷的影响——当硅 MOSFET 从导通切换到关断时剩余的少数载流子电荷会消散——这会导致硅 MOSFET 中的开关电流过冲（振铃） ，可能会导致 EMI。

GaN HEMT 在电机设计中的使用

GaN HEMT 的电气特性使其成为设计紧凑、高压和高频电动机的工程师的一个有吸引力的提议。总之，这些设备具有以下优势：

• 高击穿电压，鼓励使用更高（大于 1,000V）的输入电压
• 高电流密度，使基于 GaN 的组件能够在不降低功率处理能力的情况下缩小
• 快速切换能力，允许高频（200kHz 及以上）电动机运行
• 高频操作，限制输出电流纹波并允许减小滤波器元件尺寸
• 低开关损耗，限制功耗，提高效率
• 耐高温，允许使用更小的散热器
• 高度集成，允许在芯片上制造 GaN HEMT（与硅功率元件不同）。
• 减少材料清单 (BOM) 和解决方案尺寸，因为在电机驱动解决方案中，GaN HEMT 可以处理续流电流，而无需 IGBT 所需的反并联二极管。

这些优势使工程师能够设计出高度紧凑的电机，其输出与传统电机相同，尺寸是传统电机的两倍以上，但功耗却低得多。主要缺点是 GaN HEMT 设计需要高水平的电路开发和测试专业知识。

集成解决方案最大化 GaN HEMT 的优势

直到最近，硅 MOSFET 和 IGBT 仍保留了优于 GaN HEMT 的一个关键优势——它们广泛的商业可用性。但今天，工程师可以轻松使用 GaN HEMT 技术。更好的是，硅供应商现在提供基于 GaN HEMT 的集成解决方案，简化了高压和高频交流电机逆变器级。

以前，GaN HEMT 被封装为带有单独驱动器的分立器件，因为晶体管和驱动器组件基于不同的工艺技术，并且通常由不同的制造商提供。这种布置的缺点是键合线具有增加开关损耗的寄生电阻和电感。将 GaN HEMT 和驱动器安装在同一引线框架上可消除共源电感，这在快速开关（高 di/dt）电路中尤为重要。不需要的电感会产生振铃，并可能导致电流保护机制出现异常。集成封装的第二个关键优势：热感应可以内置到驱动器中，确保在出现过热情况时关闭 GaN HEMT。

Texas Instruments在其LMG3410R070 GaN 功率级中提供 GaN HEMT 和驱动器集成（图 2）。该公司将该产品描述为业界首款 600V GaN 驱动器产品。该器件是一个 8mm x 8mm 四方扁平无引线 (QFN) 多芯片模块 (MCM)，包括一个 GaN HEMT 和带有集成 20V 串联 MOSFET 的驱动器。导通电阻是非常低的 75mΩ。栅极驱动器具有内置降压/升压转换器，可产生关闭 GaN HEMT 所需的负电压。

图 2： Texas Instruments 的 LMG3410R70 GaN 功率级在紧凑型封装中集成了 GaN HEMT 和驱动器。（来源：德州仪器）

LMG3410 GaN 功率级的一个关键优势是它可以在硬开关期间控制压摆率。这种控制对于限制印刷电路板 (PCB) 寄生障碍和 EMI 很重要。这款德州仪器 (TI) 产品使用可编程电流源来驱动 GaN 栅极，可将压摆率设置在 30V/ns 至 100V/ns 之间。

LMG3410 还包括一个有用的故障输出，用于通知主机微控制器是否因故障事件而停止切换。

采用半桥配置的两个紧凑型 LMG3410 GaN 功率级可提供设计人员驱动高功率密度电动机各相所需的快速硬开关、低开关损耗、低寄生电感和零反向恢复电荷（图3）。

图 3：此应用电路原理图显示了采用半桥配置的两个 Texas Instruments GaN 功率级，驱动三相电机的一个相位。（来源：德州仪器）

构建高性能电动机的驱动器

完整的交流电机驱动解决方案（图 4）包括三个元素：整流器（AC/DC 转换器）、DC 链路和逆变器（DC/AC 转换器）。

图 4：此电机驱动解决方案示意图说明了直流链路电容器的位置。（来源：基美特）

整流器通常基于二极管或晶体管拓扑，将标准 50 或 60Hz 交流电源转换为（近似）直流电源。来自整流器的直流电被过滤并存储在直流链路电路中，直到逆变器使用它。然后，逆变器将直流电源转换为三个正弦 PWM 信号，每个信号驱动电机的一个相位。

DC 元件执行几个关键角色：

• 从整流级过滤电流和电压纹波
• 过滤整流器电压瞬变，否则可能会损坏逆变器的晶体管
• 提高电路效率
• 限制可能损坏晶体管的感应电流
• 确保平稳地向负载传输电力

虽然直流母线电路由安装在电机驱动器的整流器和逆变器级之间的电源线上的单个电容器组成，实施起来很简单，但它对电机的整体性能和效率的重要性使得选择优质组件危急。

直流链路在具有高转换率 (dV/dt) 和高电压峰值的挑战性条件下运行，因此设计人员选择能够承受此类压力的器件非常重要。KEMET KC-LINK电容器使用陶瓷（锆酸钙，CaO 3 Zr）电介质和镍内部电极，是一个不错的选择，因为它们专为高压、高频直流链路应用而设计。

KC-LINK 器件的关键属性是非常低的等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)。低 ESR 和 ESL 值有助于提高效率，尤其是在高压应用中。此外，电容器能够在下一代电动机应用常见的高频和高温下工作。这些电容器可承受高达 10MHz 的频率和 -55 至 150°C 的温度范围。这些器件还没有随电压变化而产生的电容变化，并且符合汽车标准。

结论

WBG 半导体器件（例如用于电动机逆变器的 GaN HEMT 和用于直流链路的高性能电容器）的商业可用性正在满足设计人员对为高功率密度电动机驱动器设计的可靠组件的需求。这些关键组件将使设计人员能够使用紧凑、更轻、更便宜的电机来增强现有产品，同时将电机的使用扩展到广泛的新应用。此外，新一代高功率密度电机将显着降低能源需求，为更环保的地球做出贡献。

审核编辑：符乾江