使用 GaN 功率 IC 提高电机驱动的可靠性和性能

欧盟大约有 80 亿台电动机在使用，消耗了欧盟生产的近 50% 的电力。1由于提高效率和减少碳足迹是政府和行业的主要目标，因此存在多项举措来降低这些电机的耗电量。例如，许多家用电器能源标签的全球标准通过降低能耗以及可听和电气噪声等来影响电器的设计。2另一个例子是欧洲引入了工业电机的效率等级，有效地切断了低效率电机的市场。3,4因此，我们看到了感应电机的兴起，例如无刷直流 (BLDC) 电机，它们在相同的机械功率下体积更小、效率更高。5,6这些效率更高、性能更高的电机需要更复杂的电子设备才能运行。用于变速驱动器 (VSD) 或变频驱动器的脉宽调制技术通过整流交流电源为电机创建脉冲三相电压。这会提高性能，可以控制速度和扭矩，并对系统的机械设计产生积极影响。在高压电网侧实施有源功率因数校正（PFC），提高电网稳定性，这正在成为政府制定的更严格的法规（例如，行业标准IEC61000）。

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由无桥图腾柱 PFC、控制器和三相逆变器级组成的典型变速驱动器

硅 IGBT 很慢

几十年来，VSD 一直使用 IGBT 作为其主要功率开关。这些传统的硅晶体管坚固耐用且具有成本效益，但开关速度较慢且损耗相对较高，因此还有改进的空间。对于许多消费类应用，尤其是那些预期在室内运行的应用，需要高于 16 kHz 的开关频率来降低可听噪声。由于其缓慢的反向恢复特性，这些更高的频率对 IGBT 具有挑战性，从而导致高开关损耗。硅 MOSFET 也已用于 VSD，但实现的功率密度低于 IGBT，尽管在满载条件下开关损耗可以更低。MOSFET 的内部体二极管恢复损耗也很差，这会增加总损耗。即使是专门设计的带有快速恢复二极管的 MOSFET，通常也比 IGBT 产品中的快速恢复二极管更慢、更灵敏。在轻负载运行中，由于其线性电流-电压关系，MOSFET 确实显示出优于 IGBT 的优势。

GaN 在电机驱动中的优势

通过在功率级中使用氮化镓，可以在逆变器和电机以及整个系统中实现效率的下一个重要步骤。基于 GaN 的器件更接近理想开关，提供显着降低的开关损耗并带来许多不同的好处。

在大多数情况下，VSD 的效率相对较高，通常为 95% 到 97%，这比电机或被驱动的机械过程要高得多。老式电机的效率为 60%，而更现代的 BLDC 电机的工作效率为 80% 或更高。由于开关损耗非常低，这些效率更高的 VSD 系统可提供更好的电气效率，从而降低系统成本，因为可以显着减少甚至去除从电源开关中散热所需的散热器。在 VSD 的典型硬开关半桥中，具有零反向恢复损耗的 GaN IC 的较低开关损耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 到 5 倍，从而将总功率损耗降低50%。在低功率应用中，这甚至可能意味着完全移除散热器。散热器级机加工铝的价格为每公斤 6 至 8 美元——并在 2021 年达到 13 年来的最高水平——这对系统的成本影响很大。此外，减轻重量可降低运输成本，进一步降低总拥有成本。

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Navitas GaNFast IC 在所有开关频率上都表现出较低的损耗，但随着开关频率的增加而显着降低。（来源：纳微半导体，计算）

硅 IGBT 和 MOSFET 表现出一种称为反向恢复的现象，即它们的 pn 结在导通状态下充满电，而在关断状态下被扫出。恢复时间、恢复电荷和恢复电流都会影响反向恢复特性和开关损耗，从而导致系统在开关状态下出现不受控制的振铃和电压过冲和下冲。这同样适用于级联 GaN 器件，因为附加的硅 MOSFET 与常开 GaN FET 相结合。

Navitas GaNFast IC 将驱动器与增强型 FET 集成在一起，其中二维电子气密度产生电子迁移率。由于没有有源 pn 结，因此不存在固有的体二极管，从而导致器件中没有反向恢复电荷。这显着降低了开关损耗，并在开关事件期间提供更平滑的电压波形，同时具有最小的振铃，从而提高性能和系统可靠性并降低系统成本。

由于没有恢复电荷，GaNFast IC 成为硬开关设计的理想选择，例如半桥拓扑，其中在高侧和低侧开关转换期间发生最低开关损耗。两个开关之间所需的死区时间可以显着缩短，从大约 2,000 ns 降至 50 ns。对于电机驱动应用，这会显着降低转矩脉动和可听噪声，从而提高系统的使用寿命。7

自主、可靠的电源：GaNFAST 与 GanSENSE

硅和碳化硅中的 IGBT 和 MOSFET 以类似方式驱动。该器件在 10-20 V 的栅极驱动下开启，通常关闭至 0 V 或负电压以实现更高的功率水平。分立增强型 GaN 器件通常需要 5-7 V 的栅极驱动，并且可能还需要负电压来关闭它们。如果没有正确优化，性能和可靠性都会受到影响。这是因为，虽然 GaN 是一种先进材料，但分立 GaN FET 确实有一个致命弱点：一个必须小心驱动的栅极节点。如果栅极上的电压过低，则 FET 没有完全导通，因此导通电阻和损耗都很高。如果电压太高，可能会损坏栅极。

为了解决这个问题，GaNFast 功率 IC 将 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驱动以及控制和保护集成在一个表面贴装封装中。结果是可靠、易于使用、高速、高性能、“数字输入、电源输出”的构建块。自 2018 年初获得认证以来，GaNFast IC 已成为行业领先的快速和超快速移动充电器解决方案，客户包括三星、戴尔、联想和 LG。截至 2022 年 3 月，已出货超过 4000 万台，与 GaN 相关的现场故障报告为零。

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Navitas 的完全集成 GaNFast 与 GaNSense IC 的简化框图结合了控制、驱动、传感和保护功能。8,9

结果是优化和可重复的逆变器性能，实现了出色的可靠性。电源开关可以通过简单的数字信号进行控制，去除大量外部元件，并提高尺寸和元件数量，甚至超越硅解决方案。8这对于紧凑型电机驱动器来说是个好消息，其中 VSD 的尺寸现在可以变得如此之小，以至于它可以很容易地装入电机外壳中。

2021 年，采用 GaNSense 技术的新型 GaNFast 功率 IC 引入了系统感应功能，例如过热和过流检测，以及自主自我保护能力。与分立硅或分立 GaN 方法相比，GaNSense 技术仅能在 30 ns 内“检测和保护”——比硅或 GaN 分立器件快 6 倍——提高了系统级可靠性。

无损电流检测可以去除大而昂贵的分流电阻器，进一步减小系统尺寸和成本，同时保持快速过流保护以提高系统稳健性。这在用于工厂自动化的工业电机驱动中非常重要，并有助于设计人员在其产品中实施功能安全概念。9

过温保护电路可以对封装中的电源开关进行温度测量，而散热器上的温度传感器的精度要低得多。这对于许多工业和消费电机驱动应用很重要，在这些应用中，冷却系统可以通过液体流速或冷却风扇进行调整。内置的过温保护电路会在温度过高的情况下关闭 GaN IC，从而保护系统。8

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表 1：GaNSense 的主要特性在电机驱动应用的性能、效率和可靠性方面具有显着优势。

电机逆变器已经以多种不同的方式实现，主要使用 IGBT 的低成本和电流处理能力。表 2 比较了当今可用的方法（以分立 IGBT 作为基准）：

智能电源模块将一个栅极驱动器与六个电源开关组合在一个封装中，从而节省系统尺寸和组件数量，同时减少设计工作。

硅 MOSFET，尤其是超结 MOSFET，已在电机驱动中得到越来越多的使用，从而提高了轻负载效率。使用 SiC MOSFET 可以在全负载范围内获得更好的效率，但会缩短短路耐受时间。

分立的 GaN FET 有助于进一步降低功耗，但设计人员需要实现复杂的栅极驱动电路。GaN 级联组件可以提供标准栅极驱动，但代价是更高的功率损耗和成本。

具有 GaNSense 的 GaNFast IC 可实现 GaN FET 的固有效率，而无需处理复杂的栅极驱动电路。无损电流感应消除了分流电阻器并提高了效率、空间和成本，而集成保护电路可实现稳健的逆变器解决方案，只需很少的设计工作。

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表 2：具有 GaNSense 的 GaNFast IC 将栅极驱动复杂性和自主保护与无损电流感应相结合，提供紧凑、易于设计、稳健的系统。

摘要：集成驱动性能

并非每个电机驱动器都是相同的，消费和工业应用的趋势集中在提高能效、性能、系统成本、总拥有成本以及减小尺寸和重量上。这对世界各地的设计团队来说是一个巨大的挑战，他们面临着减少设计时间和上市时间同时改善最终客户体验的压力。下一代电机驱动系统将利用 GaN FET 性能和先进的传感技术，提供必要的稳健性和保护，让您高枕无忧。

参考

1欧盟委员会。“电动机和变速驱动器。”

2酷产品。“洗衣机。”

3 IEC 标准 60034（工业电机效率等级）。

4 EUR-Lex。委员会条例 (EU) 2019/1781。

5智能水杂志。（2019）。“格兰富的智能水解决方案部署在阿联酋的 7,000 多座别墅中。”

6 LG电子。“LG AI DD。”

7美国专利 8390241（基于 III 氮化物设备的电机驱动）

8纳微半导体。“适用于电动汽车、太阳能和工业的GaNFast电源IC解决方案。” Bodo 的宽带隙事件，2021 年 12 月。

9纳微半导体。“GaNFast 架构，大功率系统中的性能。” Bodo 的宽带隙事件，2021 年 12 月。

10纳微半导体。（2021 年）。应用笔记 AN-015。

11 IEC 标准 60730（消费者应用中的功能安全）和 68100（工业装置中的功能安全）。

——Alfred Hesener 是 Navitas Semiconductor 工业和消费部门的高级总监

审核编辑 黄昊宇